减少塑料废物以制造石墨烯纳米片

在这项研究中,该团队利用廉价的Al2O3通过前面公开的两步热解程序成功地从塑料废物中合成了廉价的GN。

在发表在Results in Materials杂志上的一项研究中,合成了由废塑料生产的石墨烯纳米片(GNs),用于具有成本效益的热电(TE)器件。

减少塑料废物以制造石墨烯纳米片

研究:来自废塑料的石墨烯纳米片,用于具有成本效益的热电应用。图片来源:MOHAMED ABDULRAHEEM/Shutterstock.com

热电器件简介

随着能源需求的增加,迫切需要改善能源生产,以满足各种应用的需求。

能源使用增加导致全球变暖的加剧是令人担忧的重要来源。因此,迫切需要确定长期战略,通过用可持续能源取代传统电力供应来减少净生态影响。

目前,大量劣质热能不可避免地被创造出来,可悲的是,这些热能被浪费在日常生活和商业运营中。

热电(TE)物质可以从废热中产生电力。即使在与环境温度相比相对较小的温度梯度下,TE 系统也能够通过利用固体内部载流子的运动将热量直接转化为电能。

TE 设备的有效性取决于操作中使用的 TE 物质的种类。

减少塑料废物以制造石墨烯纳米片

图 1. (a)来自废塑料的还原石墨烯纳米片的拉曼光谱,(b)来自废塑料的石墨烯纳米片的FT-IR光谱,(c)来自废塑料的石墨烯纳米片的XRD光谱。© Garg, K. K., Pandey, S., Kumar, A., Rana, A., Sahoo, N. G., & Singh, R. K. (2022)

使用石墨烯的优势

科学家们已经证明了碳质纳米材料在TE器件的实现中的适用性,因为它们的制造简单性和优异的特性。

石墨烯因其卓越的机械,电气和热能力而被公认为有价值的选择之一。其独特的2D蜂窝框架具有sp2状态的碳原子,为其提供了平面形状。

在常温下,石墨烯还表现出非常大的电荷载流子运动和各种量子现象。这表明它可能用于下一代场效应晶体管。

此外,科学界在大规模生产GN方面存在障碍,以研究石墨烯在高效能量存储和转换器件中的实时用途。

(a) 来自废塑料的减少GN的FESEM图像,(b)来自废塑料的减少GN的FESEM图像的3D表面图,(c)来自来自废弃塑料的减少GN的FESEM图像的表面图。

图 2.(a) 来自废塑料的减少GN的FESEM图像,(b)来自废塑料的减少GN的FESEM图像的3D表面图,(c)来自来自废弃塑料的减少GN的FESEM图像的表面图。© Garg, K. K., Pandey, S., Kumar, A., Rana, A., Sahoo, N. G., & Singh, R. K. (2022)

解决合成石墨烯的问题

在这方面,许多专家已经揭示了一种使用固体垃圾材料获得优质石墨烯的有希望的方法。

由于其不可生物降解的性质,塑料垃圾极大地导致了固体废物产品的紧迫性。

目前废塑料的数量造成了一个难题,已经引发了许多环境困难。幸运的是,塑料的大量碳成分为我们提供了一条通过创造增值产品来改善塑料废物管理的新途径。

虽然有几种方法可以制造石墨烯,包括化学程序,化学气相沉积(CVD)和电解去角质方法,但利用这些程序生产石墨烯非常耗时且昂贵。

因此,在具有成本效益的商业运营中使用由这些工艺产生的石墨烯变得极具挑战性。

这项研究说明了一种大规模制造方法,可以以非常经济高效的方式提供高质量的GN;因此,石墨烯的当前形式可用于无数的实际应用,例如染料敏化太阳能电池,钙钛矿太阳能电池,超级电容器和固井应用。

这些塑料废物衍生GN的实际实施证明了这项研究的前景,它不仅降低了环境中固体塑料废物的浓度,而且还提供了将废物转化为能源的有效途径。

(a) 基于GN的矩形条的垂直图像(12毫米×5毫米×5毫米),用于TE应用,(b)用于GN的电导率图,(c)用于GN的塞贝克系数图,(d)用于GN的功率因数分析。

图 3.(a)基于GN的矩形条的垂直图像(12毫米×5毫米×5毫米),用于TE应用,(b)GN的电导率图,(c)GN的塞贝克系数图,(d)GN的功率因数分析。 ©

研究的重要发现

在这项研究中,该团队利用廉价的Al2O3通过前面公开的两步热解程序成功地从塑料废物中合成了廉价的GN。

由于边缘缺陷的存在,产生的GN被确定为3-4nm厚。GNs内部边缘缺陷的存在导致合成GN内部的半导体特性。

还检查了GN的热电特性,以评估该方法的实用性。

同时发现电导率和塞贝克系数增加,表明GN具有较强的TE特性。因此,合成的GN可以用作一系列TE器件中TE材料的竞争者。

废塑料衍生GN的热电品质因数(ZT)。

图 4. 废塑料衍生GN的热电品质因数(ZT) Garg, K. K., Pandey, S., Kumar, A., Rana, A., Sahoo, N. G., & Singh, R. K. (2022) ©

参考

Garg, K. K., Pandey, S., Kumar, A., Rana, A., Sahoo, N. G., & Singh, R. K. (2022). Graphene nanosheets derived from waste plastic for cost-effective thermoelectric applications. Results in Materials, 13. Available at: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590048X22000085?via%3Dihub

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