近日，上海交通大学李佳副教授团队在《Cell Reports Physical Science》上发表题为“Reviewing graphene synthesis from carbon waste for energy storage applications”的综述。该综述总结了将生物质、废塑料和废石墨转化为石墨烯用于储能的研究。针对不同废物需采用特定转化方法，且超级电容器与锂离子电池对材料结构有不同需求。未来应聚焦绿色规模化工艺、机理研究及全器件验证，以实现“废物到产品”的可持续闭环。
研究背景
1. 碳废物问题严峻：生物质、废塑料和电子废弃物（尤其是废锂离子电池）大量产生，带来环境与健康风险，但其富含碳元素，具备资源化潜力。
2. 石墨烯材料需求迫切：石墨烯因其高比表面积、优异导电性等特性，在电化学储能领域（如超级电容器和锂离子电池）应用前景广阔。
3. “变废为宝”的机遇：将碳废物转化为高价值的石墨烯基储能材料，既能缓解废物处置压力，又能为储能器件提供低成本、高性能的电极材料，是实现循环碳经济的关键路径之一。
研究方法
1. 热化学转化法：通过高温热解使生物质或废塑料碳化并实现石墨烯片层剥离，常结合熔盐限域或KOH化学活化以创造高比表面积多孔结构。
2. 化学氧化剥离法：主要采用改良Hummers法，利用强氧化剂将废石墨氧化并剥离成氧化石墨烯，能有效去除表面杂质，是处理废石墨的主流化学方法。
3. 机械力化学法：通过高能球磨的物理作用实现石墨层剥离与结构缺陷引入，可同步进行杂原子掺杂，是一种绿色且具规模化潜力的物理方法。
4. 快速焦耳热法：对废塑料等施加瞬时高电流，使其在毫秒级时间内经历超高温并实现石墨化，具有高效、节能且对原料纯度要求低的特点。
研究结果
1. 生物质石墨烯制备方法优化提升性能：通过熔盐模板、KOH活化和氮掺杂等方法抑制堆叠、增加比表面积和活性位点，使其在超级电容器中比电容>300F/g，在锂离子电池中容量>500 mAh/g。
图1：生物质废物转化为石墨烯基材料的方法发展
图2：从生物质废物合成先进锂离子电池碳负极材料的代表性策略
2. 快速焦耳热法高效转化废塑料：该法通过瞬时焦耳热将废塑料快速转化为多孔褶皱石墨烯，过程高效、无需催化剂，所得材料在锂电中展现出良好的倍率性能，为塑料升级回收提供了新途径。
图3：用于锂离子电池的废物衍生石墨烯材料制备方法及电化学性能图示
3. 废石墨从纯化到功能化升级回收：通过改良Hummers法有效去除杂质，并进一步通过低温退火或氮掺杂球磨将其转化为高性能负极材料，锂存储容量>340mAh/g，实现了高值化利用。
图4：废石墨升级回收为rGO用于超级电容器的两条路径示意图
图5：废石墨升级回收为先进锂离子电池负极材料的策略
展望
1. 机理研究深化：借助计算模拟与人工智能，从经验试错转向理性设计，实现对材料结构与性能的精准调控。
2. 绿色工艺升级：重点发展机械化学法、快速焦耳热等低污染、可规模化的合成技术，推动其产业化应用。
3. 应用闭环验证：加强从材料到全器件的性能与循环寿命评估，完成从“废物”到“储能产品”的完整链条。
DOI:10.1016/j.xcrp.2025.102979
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