近日，上海交通大學(xué)李佳副教授團(tuán)隊(duì)在《Cell Reports Physical Science》上發(fā)表題為“Reviewing graphene synthesis from carbon waste for energy storage applications”的綜述。該綜述總結(jié)了將生物質(zhì)、廢塑料和廢石墨轉(zhuǎn)化為石墨烯用于儲能的研究。針對不同廢物需采用特定轉(zhuǎn)化方法，且超級電容器與鋰離子電池對材料結(jié)構(gòu)有不同需求。未來應(yīng)聚焦綠色規(guī)?；に?、機(jī)理研究及全器件驗(yàn)證，以實(shí)現(xiàn)“廢物到產(chǎn)品”的可持續(xù)閉環(huán)。

【研究背景】

　　1. 碳廢物問題嚴(yán)峻：生物質(zhì)、廢塑料和電子廢棄物（尤其是廢鋰離子電池）大量產(chǎn)生，帶來環(huán)境與健康風(fēng)險(xiǎn)，但其富含碳元素，具備資源化潛力。

　　2. 石墨烯材料需求迫切：石墨烯因其高比表面積、優(yōu)異導(dǎo)電性等特性，在電化學(xué)儲能領(lǐng)域（如超級電容器和鋰離子電池）應(yīng)用前景廣闊。

　　3. “變廢為寶”的機(jī)遇：將碳廢物轉(zhuǎn)化為高價(jià)值的石墨烯基儲能材料，既能緩解廢物處置壓力，又能為儲能器件提供低成本、高性能的電極材料，是實(shí)現(xiàn)循環(huán)碳經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵路徑之一。

【研究方法】

　　1. 熱化學(xué)轉(zhuǎn)化法：通過高溫?zé)峤馐股镔|(zhì)或廢塑料碳化并實(shí)現(xiàn)石墨烯片層剝離，常結(jié)合熔鹽限域或KOH化學(xué)活化以創(chuàng)造高比表面積多孔結(jié)構(gòu)。

　　2. 化學(xué)氧化剝離法：主要采用改良Hummers法，利用強(qiáng)氧化劑將廢石墨氧化并剝離成氧化石墨烯，能有效去除表面雜質(zhì)，是處理廢石墨的主流化學(xué)方法。

　　3. 機(jī)械力化學(xué)法：通過高能球磨的物理作用實(shí)現(xiàn)石墨層剝離與結(jié)構(gòu)缺陷引入，可同步進(jìn)行雜原子摻雜，是一種綠色且具規(guī)?；瘽摿Φ奈锢矸椒?。

　　4. 快速焦耳熱法：對廢塑料等施加瞬時(shí)高電流，使其在毫秒級時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷超高溫并實(shí)現(xiàn)石墨化，具有高效、節(jié)能且對原料純度要求低的特點(diǎn)。

【研究結(jié)果】

　　1. 生物質(zhì)石墨烯制備方法優(yōu)化提升性能：通過熔鹽模板、KOH活化和氮摻雜等方法抑制堆疊、增加比表面積和活性位點(diǎn)，使其在超級電容器中比電容>300F/g，在鋰離子電池中容量>500 mAh/g。

圖1：生物質(zhì)廢物轉(zhuǎn)化為石墨烯基材料的方法發(fā)展

圖2：從生物質(zhì)廢物合成先進(jìn)鋰離子電池碳負(fù)極材料的代表性策略

　　2. 快速焦耳熱法高效轉(zhuǎn)化廢塑料：該法通過瞬時(shí)焦耳熱將廢塑料快速轉(zhuǎn)化為多孔褶皺石墨烯，過程高效、無需催化劑，所得材料在鋰電中展現(xiàn)出良好的倍率性能，為塑料升級回收提供了新途徑。

圖3：用于鋰離子電池的廢物衍生石墨烯材料制備方法及電化學(xué)性能圖示

　　3. 廢石墨從純化到功能化升級回收：通過改良Hummers法有效去除雜質(zhì)，并進(jìn)一步通過低溫退火或氮摻雜球磨將其轉(zhuǎn)化為高性能負(fù)極材料，鋰存儲容量>340mAh/g，實(shí)現(xiàn)了高值化利用。

圖4：廢石墨升級回收為rGO用于超級電容器的兩條路徑示意圖

圖5：廢石墨升級回收為先進(jìn)鋰離子電池負(fù)極材料的策略

【展望】

　　1. 機(jī)理研究深化：借助計(jì)算模擬與人工智能，從經(jīng)驗(yàn)試錯(cuò)轉(zhuǎn)向理性設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對材料結(jié)構(gòu)與性能的精準(zhǔn)調(diào)控。

　　2. 綠色工藝升級：重點(diǎn)發(fā)展機(jī)械化學(xué)法、快速焦耳熱等低污染、可規(guī)?；暮铣杉夹g(shù)，推動(dòng)其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

　　3. 應(yīng)用閉環(huán)驗(yàn)證：加強(qiáng)從材料到全器件的性能與循環(huán)壽命評估，完成從“廢物”到“儲能產(chǎn)品”的完整鏈條。

　　來源：焦耳熱超快合成