利用閃光加熱將汽車零部件回收成高價值石墨烯

萊斯大學的化學家與福特汽車公司的研究人員合作，正在通過該大學的閃光焦耳加熱過程將塑料部件從“報廢”車輛變成石墨烯。平均每輛SUV包含多達350公斤(771磅)的塑料，這些塑料可以在垃圾填埋場放置幾個世紀，但在新的自然雜志《通信工程》的首期中報道的回收過程。

由萊斯化學家JamesTour和研究生兼主要作者KevinWyss領導的項目的目標是重新利用石墨烯來制造用于新車的增強型聚氨酯泡沫。測試表明，注入石墨烯的泡沫的拉伸強度增加了34%，低頻噪聲吸收增加了25%。僅含0.1%或更少重量的石墨烯。

而當那輛新車老了，泡沫可以再次閃現成石墨烯。

“福特從汽車粉碎設施向我們發送了10磅混合塑料廢物，”圖爾說。“它又泥濘又濕。我們閃過它，我們把石墨烯送回福特，他們把它放入新的泡沫復合材料中，它做了它應該做的一切。”

“然后他們向我們發送了新的復合材料，我們將它們閃現并將它們重新變成石墨烯，”他說。“這是循環回收的一個很好的例子。”

研究人員引用了一項研究，該研究估計，在過去六年中，汽車中使用的塑料量增加了75%，以此作為減輕重量和提高燃油經濟性的一種手段。

Tour表示，按類型對混合的報廢塑料進行回收利用一直是汽車行業的一個長期問題，而且由于圍繞報廢車輛的潛在環境法規，這一問題變得越來越重要。“在歐洲，汽車回到制造商那里，制造商只允許填埋5%的車輛，”他說。“這意味著他們必須回收95%，這對他們來說簡直是壓倒性的。”

共同作者、福特可持續發展技術研究員DeborahMielewski表示，大部分混合塑料最終都被焚燒了，他指出美國每年要撕碎10到1500萬輛汽車，全球有超過2700萬輛汽車被撕碎。

“我們在車輛上有數百種不同的塑料樹脂、填料和增強材料組合，使這些材料無法分離，”她說。“每個應用程序都有一個特定的負載/混合物，最經濟地滿足要求。”

“這些不像塑料瓶那樣可回收，所以它們不能融化和重塑它們，”圖爾說。“所以，當福特研究人員發現我們關于閃光焦耳將塑料加熱成石墨烯的論文時，他們伸出了手。”

Tour實驗室于2020年推出了用于制造石墨烯的閃光焦耳加熱，它將混合的研磨塑料和焦炭添加劑(用于導電性)包裝在管中的電極之間，并用高壓對其進行爆破。高達近5,000華氏度的突然高溫使其他元素蒸發，并留下易于溶解的渦輪層狀石墨烯。

快速加熱提供了顯著的環境效益，因為該過程不需要溶劑并且使用最少的能量來生產石墨烯。

為了測試報廢的混合塑料是否可以轉化，賴斯實驗室將由報廢F-150皮卡車的塑料保險杠、墊圈、地毯、墊子、座椅和門框制成的碎屑“絨毛”磨碎無需洗滌或預分選成分即可制成細粉。

實驗室分兩步閃粉，首先在低電流下，然后在為實驗設計的Wyss加熱器中使用高電流。

在低電流下加熱10到16秒的粉末產生了一種高度碳化的塑料，約占初始體積的30%。其他70%被脫氣或作為富含碳氫化合物的蠟和油回收，Wyss建議這些蠟和油也可以回收利用。

然后對碳化塑料進行大電流閃蒸，將其中的85%轉化為石墨烯，同時釋放氫氣、氧氣、氯氣、硅和微量金屬雜質。

將生命周期分析(LCA)納入水稻研究項目的機會也吸引了Wyss。“我受到可持續發展的驅動，這是我想在職業生涯中關注的地方，”他說。

LCA涉及將閃蒸汽車零件中的石墨烯與其他方法生產的石墨烯進行比較，并評估回收效率。他們的結果表明，與其他方法相比，閃光焦耳加熱產生的石墨烯顯著減少了能源、溫室氣體排放和用水量，甚至包括將塑料粉碎機絨毛粉碎成粉末所需的能量。

福特研究公司專注于可持續性和新興材料的技術專家阿爾珀·基齊爾塔斯(AlperKiziltas)表示，自2018年以來，福特一直在其車輛中使用多達60磅的聚氨酯泡沫，其中約2磅是石墨烯增強的。“當我們從Rice那里取回石墨烯時，我們將它以非常少量的方式加入到我們的泡沫中，并看到了顯著的改進，”他說。“它在為我們的應用提供出色的機械和物理性能方面超出了我們的預期。”

石墨烯顯然在福特有前途。該公司首先將其引入各種其他引擎蓋下組件，并于2020年添加了石墨烯增強型發動機罩。Kiziltas表示，該公司還希望用它來增強硬塑料。

“隨著福特轉向電動汽車，我們與賴斯的合作發現將變得更加重要，”Mielewski說。“當你消除內燃機產生的噪音時，你可以更清楚地聽到車內外的一切。”

“能夠減輕噪音更為關鍵，”她說。“因此，我們迫切需要能夠更好地吸收噪音和振動的泡沫材料。這正是石墨烯可以使用極低水平提供驚人的降噪效果的地方。”