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AM:废塑料绿色转化-1秒3000℃合成碳纳米管/碳纳米线

已有 695 次阅读 2024-5-6 16:17 |个人分类:化学|系统分类:科研笔记

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2023年,莱斯大学James M. Tour、Satish Nagarajaiah和Boris I. Yakobson教授等人在《Advanced Materials》上发表了题为“Upcycling of Waste Plastic into Hybrid Carbon Nanomaterials”的论文,提出了一种通过闪蒸焦耳热法(FJH)废塑料中制备1维石墨材料的快速、可扩展的方法。

【总结】

(1)创新的合成方法:采用闪蒸焦耳加热(Flash Joule Heating, FJH)技术,从废塑料中高效生产出一维(1D)和一维/二维混合碳纳米材料。这种方法快速、可扩展,避免了使用溶剂或水,显著优于传统的化学气相沉积法。

(2)环保和可持续性:这种合成策略不仅能转化低价值的废弃塑料为高价值的碳纳米材料,而且在生命周期评估中显示,与传统方法相比,能源消耗和全球变暖潜力分别减少了86-92%和92-94%,体现了高环保性和可持续性。

(3)优越的材料性能:通过调整合成参数,能够控制产物的直径和形态。所得的闪蒸一维材料(F1DM)在机械性能上优于市场上可获得的商业碳纳管,特别是在复合材料中表现出更优异的增强效果。

(4)宽广的应用前景:文中提到的纳米材料不仅在复合材料中有应用,还因其优异的电性和力学性能,有望在传感器、电化学储能和电催化中发挥重要作用。

(5)多样化的可调控性:该方法可以通过调整反应条件如电压、催化剂种类和负载量等,精确控制纳米材料的形态和尺寸,实现材料属性的定制化。

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图1. 一维石墨材料的制备

研究背景

(1)全球每年产生大量的废塑料,这些塑料大多数被填埋或燃烧,造成资源浪费和环境污染。有效回收和利用废塑料,转化为有价值的产品,是解决废塑料问题的重要途径。

(2)碳纳米材料,尤其是碳纳米管和石墨烯,因其卓越的电学、热学和机械性能,在多个领域(如能源存储、传感器和复合材料)中有广泛应用。但现有的生产方法成本高、能耗大、难以大规模生产。

(3)传统合成方法具有限制,例如化学气相沉积(CVD)需要使用有毒的溶剂或昂贵的金属催化剂,且生产过程耗时长、能耗高,这些因素限制了其在工业上的广泛应用。

(4)为解决能源和环境问题,开发新的合成策略,能从废物中直接高效合成碳纳米材料,减少能源消耗和环境影响,是材料科学研究的重要方向。

(5)另外,需要探索从废塑料直接合成高价值碳纳米材料的新技术,特别是能够处理混合塑料并转化为具有特定功能的纳米材料的方法。

【研究方法】

(1)废塑料的前处理:使用不同的废塑料作为原料,通过研磨和表面处理,将催化剂(如铁、镍、钴的盐)与废塑料混合,以增强反应的效率和目标产物的控制。

(2)催化剂的选择与加载:选用过渡金属盐作为催化剂,通过溶液浸渍法或熔融混合法将催化剂均匀加载到废塑料上。这一步骤关键在于催化剂的选择和加载量,影响最终产物的形态和性质。

(3)FJH反应的实施:将催化剂加载的塑料放入FJH设备中,利用电阻性加热迅速升温,达到3100 K以上的高温,使塑料在极短时间内(0.05秒至0.5秒)高效转化为碳纳米材料。该过程中不使用溶剂或水,实现了干法合成。

(4)产物的形态与尺寸控制:通过调整FJH的参数(如电压、电容密度、反应时间等),精细控制产物的直径和形态。使用不同的催化剂和反应条件可以定向合成一维纳米材料或一维/二维的混合结构。

(5)产物的表征与分析:采用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman spectroscopy)和X射线光电子能谱(XPS)等技术详细表征所合成的碳纳米材料的形态、结构和化学性质。

(6)生命周期评估(Life Cycle Assessment, LCA):对比分析使用FJH技术合成碳纳米材料与传统方法之间在能源消耗、全球变暖潜力等环境影响方面的差异,证明新方法的环保优势。

【研究结果】

(1)高效合成碳纳米材料:通过闪蒸焦耳加热(FJH)技术成功从废塑料中合成了一维和一维/二维混合碳纳米材料。这些材料包括碳纳米管和石墨烯,表现出优异的物理和化学性能。

(2)产物形态的多样性和可控性:研究表明,通过调整FJH的反应条件(如电压、电容、催化剂类型和浓度等),可以控制合成碳纳米材料的形态和尺寸,包括纳米管、纳米纤维和纳米带等不同结构。

(3)环保效益显著:生命周期评估结果显示,与传统的化学气相沉积法相比,使用FJH技术合成碳纳米材料的过程中能源消耗和全球变暖潜力分别减少了86-92%和92-94%,展现了该技术的环保和可持续性。

(4)材料的应用潜力:合成的碳纳米材料在多个应用领域展现出卓越性能,特别是在复合材料中,闪蒸一维材料(F1DM)比商业可得的碳纳米管表现出更优的机械强度和增强效果。

(5)成本效益分析:研究还对比分析了使用FJH技术与传统方法生产碳纳米材料的成本效益,证实了新方法在工业规模应用中的经济可行性和较高的成本效率。

【展望】

根据研究内容和结果,可以推测一些可能的后续研究方向:

(1)进一步优化合成参数:深入研究不同催化剂类型、浓度、反应时间和电压等参数对碳纳米材料形态和性质的影响,以实现更高效的产物控制和性能优化。

(2)扩展原料种类:探索除了塑料之外的其他废弃物料(如橡胶、纺织品等)用于生产碳纳米材料的可行性,以进一步扩大资源循环再利用的范围。

(3)应用开发:基于合成的碳纳米材料,开发新的应用领域,如能源存储(电池和超级电容器)、传感器、催化剂和环境治理(如水处理和空气净化)。

(4)环境影响深入分析:对FJH技术的环境影响进行更全面的评估,包括对生态系统的潜在影响,以及在不同地区实施该技术的环境效益比较。

(5)规模化生产的挑战:研究如何将实验室规模的合成方法扩展到工业生产规模,包括解决成本、设备和技术的可行性问题。

(6)功能化碳纳米材料:研究通过掺杂或功能化处理进一步改善碳纳米材料的特定性能,例如通过掺杂金属或非金属元素来改善其电导性或催化活性。

(7)材料复合与界面工程:研究碳纳米材料与其他材料(如金属、陶瓷、高分子等)的复合制备技术,优化材料界面,提升复合材料的整体性能。

(8)生命周期评估的拓展:除了能耗和全球变暖潜力之外,进一步研究材料的回收、重用和处置阶段的生命周期影响,以全面评价其环境友好性。

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赛因脉冲电闪蒸反应器FJH-2024A

赛因新材料推出2024款先进的毫秒脉冲电闪蒸焦耳热反应器,自动化控制各种放电参数,可以将克级原料在1秒内最高升温到4000K,也可以实现几十分钟稳定的5000-8000K等离子体,可以在3000K内精确控制加热温度,可以毫秒控制放电达到3000K热冲击,为广大材料研究人员提供了一种新的纳米材料合成手段。

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总经理:高丽竹 18610000351(微信同号)

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https://doi.org/10.1002/adma.202209621



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