复旦大学《Nat Commun》:连续低碳生产闪石墨烯

本研究开发的集成自动化系统和热解-FJH技术,实现了生物质闪蒸石墨烯的连续生产,并显著降低了生产过程中的碳排放。通过优化生产过程,使用中等温度的生物质炭作为原料,避免了碳黑的添加,减少了能源消耗和碳排放。此外,所生产的闪蒸石墨烯具有高纯度和良好的应用性能,如优异的分散性、催化性能和太阳能吸收性能。这些成果不仅为生物质闪蒸石墨烯的大规模生产提供了技术基础,也为减少碳排放和推动可持续发展提供了新的思路。

成果简介

本文,复旦大学朱向东等研究人员在《Nat Commun》期刊发表名为“Continuous and low-carbon production of biomass flash graphene”的论文,研究提出了一种将生物质通过快速焦耳加热(Flash Joule heating, FJH)技术转化为闪蒸石墨烯(flash graphene, FG)的新方法。尽管FJH技术在将无穷无尽的生物质转化为FG方面具有巨大潜力,但由于缺乏集成设备,连续生产生物质FG一直面临挑战。此外,传统的交流电-FJH(AC-FJH)反应在生产过程中由于大量热解挥发物的释放和碳黑的利用,导致了较高的碳足迹。为了解决这些问题,研究者们构建了一个集成自动化系统,并通过以能源需求为导向的分配方式,实现了低碳足迹下的连续生物质FG生产。通过使用可编程逻辑控制器灵活协调FJH模块化组件,实现了生物质FG生产的周转。

此外,研究还提出了热解-FJH耦合策略,通过初始的热解过程释放生物质热解挥发物,随后进行FJH反应,专注于优化FG结构。重要的是,具有适当电阻的生物炭足以启动FJH反应。因此,中等温度生物炭基FG生产过程中无需使用碳黑,展现出较低的碳排放,与基于生物质的FG生产相比,减少了高达约86.1%的碳排放。毫无疑问,这种集成自动化系统辅以热解-FJH耦合策略,有助于将生物质FG推向广泛的应用领域。

图文导读

复旦大学《Nat Commun》:连续低碳生产闪石墨烯

图1:展示了连续闪蒸石墨烯生产设备的设计和制造,包括生产率的测量和电流-电压记录。

复旦大学《Nat Commun》:连续低碳生产闪石墨烯

图 2:描述了生物质/生物质炭基闪蒸石墨烯的制备路径和过程,包括不同路径下的挥发物释放和结构优化。

复旦大学《Nat Commun》:连续低碳生产闪石墨烯

图3:各种闪光石墨烯的生命周期评估(用于一克石墨烯生产)。

复旦大学《Nat Commun》:连续低碳生产闪石墨烯

图4:连续制备闪光石墨烯。

小结

本研究开发的集成自动化系统和热解-FJH技术,实现了生物质闪蒸石墨烯的连续生产,并显著降低了生产过程中的碳排放。通过优化生产过程,使用中等温度的生物质炭作为原料,避免了碳黑的添加,减少了能源消耗和碳排放。此外,所生产的闪蒸石墨烯具有高纯度和良好的应用性能,如优异的分散性、催化性能和太阳能吸收性能。这些成果不仅为生物质闪蒸石墨烯的大规模生产提供了技术基础,也为减少碳排放和推动可持续发展提供了新的思路。

文献:https://doi.org/10.1038/s41467-024-47603-y

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