莱斯大学等Nat. Sustain.：玻璃纤维复合材料废弃物快速升级利用新方法

莱斯大学等Nat. Sustain.：玻璃纤维复合材料废弃物快速升级利用新方法

莱斯大学等Nat.: 一种快速升级利用玻璃纤维复合材料废弃物的新方法

钢铁侠 3个月前 (03-02) 1413 次浏览

【研究背景】

玻璃纤维复合材料（GFRP）俗称FRP，是以玻璃纤维及其制品为增强体、树脂为基体材料的一种复合材料，具有强度高、模量高、质轻、耐高温等优异性能，在风电叶片、化工反应器、建筑材料等领域得到广泛应用。以一架组装完成的飞机为例，纤维增强复合材料（FRP）占机身整体重量的25%，其中FRP占80%以上。据统计，2030年全球FRP需求量将超过600万吨，并保持每年10%以上的增长率。然而，由FRP制成的大部分复合材料制品使用寿命一般不超过30年，这意味着全球每年将产生数百万吨的FRP废料。

目前，处理废弃玻璃钢的主要方法有直接填埋和焚烧。直接填埋会占用大量土地资源，造成地下水污染。焚烧过程中，玻璃钢表面的塑料燃烧会产生有害气体，污染环境。因此，如何高效、环保、低成本地回收利用玻璃钢是一个亟待解决的环境问题。

【成果介绍】

将废弃玻璃钢直接升级为碳化硅等高附加值功能材料是一种可行的解决方案。碳化硅是一种重要的结构材料和半导体材料，具有高机械强度、高温稳定性、高热导率等一系列优异性能。考虑到玻璃纤维的主要成分是二氧化硅和表面聚合物树脂，在高温条件下，树脂中的二氧化硅和碳会发生碳热还原反应，得到碳化硅材料。

基于此，美国工程院院士、莱斯大学James M. Tour教授团队研发出一种利用快速焦耳热碳热还原将FRP回收制成碳化硅的新方法。他们将废弃的FRP和少量碳纤维研磨成粉末后放入反应室，在1600-3000℃高温条件下，几秒钟之内便可制备出高纯度的碳化硅（图1）。同时他们发现，通过改变反应温度和反应时间，可以可控制备出3C和6H两种不同相的碳化硅材料（图2）。这两种不同相的碳化硅具有不同的性质，如3C-SiC具有更小的带隙、更低的热导率、更高的电子迁移率以及更高的硬度。 在制备好的碳化硅材料基础上，他们进一步探索了不同相碳化硅材料在锂离子电池负极中的应用，发现3C-SiC负极具有更高的比容量和更优的倍率性能（图3）。团队进一步研发了第二代FRP回收焦耳热设备，首次在实验室规模上实现了10克碳化硅的单批次制备。生命周期分析结果表明，与焚烧、溶剂处理等方法相比，焦耳热碳热还原法仅需数秒便可实现FRP的有效回收，大大降低了能耗、温室气体和水的排放。技术经济分析结果表明，该方法处理一吨FRP的运行成本为47美元（图4）。 此外，作者还论证了该方法可以进一步用于升级其他含硅废弃物，如废玻璃、沙子等，同时该方法制备的碳化硅材料还可以进一步应用于复合材料增强体、半导体器件、光催化剂和电催化剂等领域。

相关成果近日发表在《废旧玻璃纤维的闪蒸——从废弃玻璃纤维到高附加值材料》期刊上。莱斯大学博士后程毅、博士生陈锦航和清华大学助理教授邓兵为论文共同第一作者，莱斯大学教授詹姆斯·图尔和基尔万大学教授赵宇峰为论文通讯作者。同时，天津大学教授陈亚男在《废旧玻璃纤维的闪蒸——从废弃玻璃纤维到高附加值材料》期刊上发表题为《废旧玻璃纤维的闪蒸——从废弃玻璃纤维到高附加值材料》的评论文章，评估了该工作在将废旧玻璃纤维复合材料升级为高价值材料领域的意义。

【图片导览】

图1.焦耳热碳热还原制备碳化硅的基本过程。

(a) 升级过程示意图。(b) 输入电压为 150 V，时间为 1 s 时的电流曲线。(c) 输入电压为 100 V（蓝色）和 150 V（红色）时红外温度计记录的实时温度曲线。(d) 不同 SiO2 与碳比下吉布斯自由能变化（ΔG）与温度的关系。

图2. 不同相碳化硅的可控制备。

(a) 3C-SiC（左）和 6H-SiC（右）的晶体结构。(b) 3C-SiC（上）和 6H-SiC（下）的 Si 2p 核心能级 XPS 光谱。(c) 在 100 V 和单次闪光下合成的纯化 3C-SiC（上）和在 150 V 和 10 次闪光下合成的纯化 6H-SiC（下）的 XRD 图案。(d) 纯化 3C-SiC（上）和 6H-SiC（下）的代表性拉曼光谱。(e) 3C-SiC（上）和 6H-SiC（下）的 Tauc 图。(f) 3C-SiC 的 HRTEM 图像。(g) 3C-SiC 的放大 HRTEM 图像。(h) 3C-SiC 的 SAED 图案。(i) 6H-SiC 的 HRTEM 图像。 （j）6H-SiC 的放大 HRTEM 图像。（k）6H-SiC 的 SAED 图案。

图3、不同相碳化硅在锂电池负极材料中的应用。

（a）3C-SiC负极在不同循环下的充放电曲线。（b）6H-SiC负极在不同循环下的充放电曲线。（c）0.2C下3C-SiC负极（蓝点）和6H-SiC负极（红点）的循环稳定性。（d）3C-SiC负极（蓝点）和6H-SiC负极（红点）的倍率容量。（e）不同扫描速率下3C-SiC负极的CV曲线。（f）不同扫描速率下6H-SiC负极的CV曲线。（g）循环前3C-SiC负极（蓝线）和6H-SiC负极（红线）的奈奎斯特图。（h）充电过程中3C-SiC负极（蓝线）和6H-SiC负极（红线）的Li+扩散系数。 （i）0.2°C 下 3C-SiC 阳极和阴极的全锂离子电池的循环稳定性。

图4.焦耳热碳热还原工艺的生命周期和技术经济分析。

(a) 溶剂分解、焚烧和瞬间碳热还原工艺处理玻璃纤维复合材料废弃物的物质流分析。(b) 溶剂分解、焚烧和瞬间碳热还原工艺的综合比较。(c) 累积能源需求比较。(d) 累积温室气体排放量比较。(e) 技术经济分析。

【文件信息】

Yi Cheng#, Chen#, Bing Deng#, Chen, Karla J. Silva, Lucas Eddy, Gang Wu, Ying Chen, Bowen Li, , Xu, Si, Angel A. Martí, Boris I. , Zhao,* James M. Tour,* 废弃玻璃纤维的闪光- 到相- , , 2023, doi: 10.1038/-024-01287-w。

原文链接：

评论链接：

【主要作者简介】

程毅，美国莱斯大学博士后，莱斯学术学者，博士后联合导师为James M. Tour教授。2017年毕业于复旦大学，获学士学位；2022年毕业于北京大学，获博士学位。师从刘忠范院士。主要研究领域为废弃资源循环利用、新型功能材料制备、环境污染物处理等，在《JACS》、《ACS Nano》等期刊以第一/共同第一作者发表论文十余篇。

陈金航是莱斯大学博士研究生，2019年毕业于复旦大学，随后加入James M. Tour教授课题组攻读博士学位。主要研究方向为固体电解质的快速制备、界面设计及回收利用、废旧电池材料的回收利用等。

邓兵，清华大学助理教授、特别研究员、博士生导师，主要研究方向为战略重点金属回收利用、固体废弃物资源化利用、功能纳米材料制备及其在环境与能源领域的应用等以电能为基础的低碳新方法开发。课题组主页：（邓兵课题组现招收相关研究方向博士后、博士研究生，有意向的同学请联系）

赵宇峰，科尔万大学教授，主要研究兴趣为基于分子动力学模拟和DFT方法对无机纳米材料相变过程和电催化机理的理论计算。

詹姆斯·M·图尔是莱斯大学教授、美国国家工程院院士、美国国家发明家科学院院士。图尔教授在纳米科学与技术领域做出了广泛贡献，包括纳米电子学、碳材料、纳米医学、分子机器、电池电催化与纳米材料制备、以及用于材料制备和环境修复的闪速焦耳加热技术。