莱斯大学和福特公司合作 利用闪速加热工艺从汽车塑料中回收石墨烯

据外媒报道，莱斯大学（Rice University）和福特公司的研究人员合作，利用该校的闪速焦耳加热（flash Joule heating）工艺，将报废车辆中的塑料部件变成石墨烯。

（图片来源：莱斯大学）

运动型多功能汽车（SUV）中平均含有350Kg的塑料。如果不经过回收，这些塑料可能要长年累月地待在垃圾填埋场。

该项目由莱斯化学家James Tour和研究生兼主要作者Kevin Wyss负责，旨在重复利用石墨烯，制造用于新车的增强型聚氨酯泡沫。测试表明，加入石墨烯的泡沫（仅含0.1%或更少的石墨烯），抗拉强度提高了34%，低频噪声吸收率提升25%。当新车报废时，这些泡沫可以再次变成石墨烯。

Tour表示：“福特给实验室寄来10磅混合塑料废弃物。这些材料已经过汽车粉碎设施粉碎，又烂糊又潮湿。实验室对其进行闪速加热后，将所得到的石墨烯送回福特公司。该公司将石墨烯加入新的泡沫复合材料中，并实现了预期效果。然后福特寄来新复合材料，实验室进行闪速加热，再把它们变回石墨烯。这是一个很好的循环回收的例子。”

据以往研究评估，仅过去六年，汽车中使用的塑料就增加了75%，这是为了减轻重量和提高燃油经济性。因此，将混合的塑料废弃物进行分类回收，是汽车行业面临的长期问题之一。同时由于环境法规逐渐收紧，这一问题变得更加关键。Tour表示：“在欧洲，汽车制造商必须回收95%的报废材料，这是很难做到的。”

车辆上有数百种不同的塑料树脂、填充物和增强材料组合，难以进行分离，最终大部分混合塑料被焚烧掉了。Tour表示：“这些不是像塑料瓶那样的可回收材料，不能进行熔化和重塑。因此福特研究人员求助于莱斯的闪速焦耳加热工艺。”

2020年，Tour的实验室提出利用“闪速焦耳加热”方法来制造石墨烯，将混合的研磨塑料和焦炭添加剂（用于导电）包裹在管中的电极之间，然后进行高压爆炸。突如其来的高温（高达近5000华氏度）使其他元素蒸发，并留下易于溶解的混层石墨烯。该工艺不需要溶剂，并可充分降低能耗，从而显著提高环境效益。

为了测试是否可以转化废弃混合塑料，该实验室在不对组件进行清洗或预先分类的情况下，利用来自报废F-150皮卡的塑料保险杠、垫圈、地垫、座椅和门壳等，将由这些组件制成的粉碎物质研磨成细粉末。

在实验过程中，研究人员分两步闪速加热粉末。在专门设计的加热器中，首先通入小电流，然后使用大电流。在小电流下对这些粉末加热10-16秒，就会产生高度碳化的塑料，约占初始体积的30%。另外70%以气体形式排出，或以富含碳氢化合物的蜡和油的形式回收（研究人员认为这些油也可以回收）。然后，对碳化塑料进行大电流闪速加热，将85%的塑料转化为石墨烯，同时释放出氢气、氧气、氯、硅和微量金属杂质。

该项目结合生命周期分析（LCA），将来自汽车闪速加热部件的石墨烯与其他方法生产的石墨烯进行比较，并评估回收效率。结果表明，与其他方法相比，利用闪速焦耳加热来制造石墨烯，可显著减少能耗、温室气体排放和用水。

福特研究中心专注于可持续性和新兴材料的技术专家Alper Kiziltas表示，自2018年以来，福特在其汽车中使用的聚氨酯泡沫材料高达60磅，其中约有2磅是石墨烯增强型聚氨酯泡沫材料。“从莱斯那里拿到石墨烯后，将其以很小的量加入泡沫中，可以看到材料性能显著改善。这为福特的应用提供了卓越的机械和物理性能，超出预期效果。”

福特公司显然很重视使用石墨烯。该公司首次将石墨烯引入其他各种罩下组件，并于2020年采用石墨烯增强型发动机罩。据称该公司还希望，利用石墨烯来加固硬塑料。Mielewski表示：“随着福特向电动汽车转型，与莱斯的合作发现将发挥重要作用。当内燃机不再产生噪音，可以更清楚地听到车内外的声音。降噪非常关键，宝马迫切需要能够更好地吸音减振的泡沫材料。只用少量石墨烯，即可产好良好的噪音缓解效果，这正是其意义所在。”