利用闪光加热将汽车零部件回收成高价值石墨烯

莱斯大学的化学家与福特汽车公司的研究人员合作，正在通过该大学的闪光焦耳加热过程将塑料部件从“报废”车辆变成石墨烯。平均每辆SUV包含多达350公斤(771磅)的塑料，这些塑料可以在垃圾填埋场放置几个世纪，但在新的自然杂志《通信工程》的首期中报道的回收过程。

由莱斯化学家JamesTour和研究生兼主要作者KevinWyss领导的项目的目标是重新利用石墨烯来制造用于新车的增强型聚氨酯泡沫。测试表明，注入石墨烯的泡沫的拉伸强度增加了34%，低频噪声吸收增加了25%。仅含0.1%或更少重量的石墨烯。

而当那辆新车老了，泡沫可以再次闪现成石墨烯。

“福特从汽车粉碎设施向我们发送了10磅混合塑料废物，”图尔说。“它又泥泞又湿。我们闪过它，我们把石墨烯送回福特，他们把它放入新的泡沫复合材料中，它做了它应该做的一切。”

“然后他们向我们发送了新的复合材料，我们将它们闪现并将它们重新变成石墨烯，”他说。“这是循环回收的一个很好的例子。”

研究人员引用了一项研究，该研究估计，在过去六年中，汽车中使用的塑料量增加了75%，以此作为减轻重量和提高燃油经济性的一种手段。

Tour表示，按类型对混合的报废塑料进行回收利用一直是汽车行业的一个长期问题，而且由于围绕报废车辆的潜在环境法规，这一问题变得越来越重要。“在欧洲，汽车回到制造商那里，制造商只允许填埋5%的车辆，”他说。“这意味着他们必须回收95%，这对他们来说简直是压倒性的。”

共同作者、福特可持续发展技术研究员DeborahMielewski表示，大部分混合塑料最终都被焚烧了，他指出美国每年要撕碎10到1500万辆汽车，全球有超过2700万辆汽车被撕碎。

“我们在车辆上有数百种不同的塑料树脂、填料和增强材料组合，使这些材料无法分离，”她说。“每个应用程序都有一个特定的负载/混合物，最经济地满足要求。”

“这些不像塑料瓶那样可回收，所以它们不能融化和重塑它们，”图尔说。“所以，当福特研究人员发现我们关于闪光焦耳将塑料加热成石墨烯的论文时，他们伸出了手。”

Tour实验室于2020年推出了用于制造石墨烯的闪光焦耳加热，它将混合的研磨塑料和焦炭添加剂(用于导电性)包装在管中的电极之间，并用高压对其进行爆破。高达近5,000华氏度的突然高温使其他元素蒸发，并留下易于溶解的涡轮层状石墨烯。

快速加热提供了显着的环境效益，因为该过程不需要溶剂并且使用最少的能量来生产石墨烯。

为了测试报废的混合塑料是否可以转化，赖斯实验室将由报废F-150皮卡车的塑料保险杠、垫圈、地毯、垫子、座椅和门框制成的碎屑“绒毛”磨碎无需洗涤或预分选成分即可制成细粉。

实验室分两步闪粉，首先在低电流下，然后在为实验设计的Wyss加热器中使用高电流。

在低电流下加热10到16秒的粉末产生了一种高度碳化的塑料，约占初始体积的30%。其他70%被脱气或作为富含碳氢化合物的蜡和油回收，Wyss建议这些蜡和油也可以回收利用。

然后对碳化塑料进行大电流闪蒸，将其中的85%转化为石墨烯，同时释放氢气、氧气、氯气、硅和微量金属杂质。

将生命周期分析(LCA)纳入水稻研究项目的机会也吸引了Wyss。“我受到可持续发展的驱动，这是我想在职业生涯中关注的地方，”他说。

LCA涉及将闪蒸汽车零件中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。他们的结果表明，与其他方法相比，闪光焦耳加热产生的石墨烯显着减少了能源、温室气体排放和用水量，甚至包括将塑料粉碎机绒毛粉碎成粉末所需的能量。

福特研究公司专注于可持续性和新兴材料的技术专家阿尔珀·基齐尔塔斯(AlperKiziltas)表示，自2018年以来，福特一直在其车辆中使用多达60磅的聚氨酯泡沫，其中约2磅是石墨烯增强的。“当我们从Rice那里取回石墨烯时，我们将它以非常少量的方式加入到我们的泡沫中，并看到了显着的改进，”他说。“它在为我们的应用提供出色的机械和物理性能方面超出了我们的预期。”

石墨烯显然在福特有前途。该公司首先将其引入各种其他引擎盖下组件，并于2020年添加了石墨烯增强型发动机罩。Kiziltas表示，该公司还希望用它来增强硬塑料。

“随着福特转向电动汽车，我们与赖斯的合作发现将变得更加重要，”Mielewski说。“当你消除内燃机产生的噪音时，你可以更清楚地听到车内外的一切。”

“能够减轻噪音更为关键，”她说。“因此，我们迫切需要能够更好地吸收噪音和振动的泡沫材料。这正是石墨烯可以使用极低水平提供惊人的降噪效果的地方。”