Electrochimica Acta：利用闪蒸焦耳加热技术将碳纤维复合材料废弃物升级为高效电催化剂

2025年1月26日，斯洛文尼亚卢布尔雅那大学的Boštjan Genorio团队 在 Electrochimica Acta 期刊发表题为“Flash graphene from carbon fiber composites: A sustainable and high-performance electrocatalyst for hydrogen peroxide production”的研究论文。 本研究报道了通过闪蒸焦耳加热（Flash Joule Heating, FJH）技术将碳纤维增强聚合物（CFRP）废弃物升级再造为高质量闪蒸石墨烯（Flash Graphene, FG）的新方法。该方法不仅为CFRP废弃物的可持续回收提供了解决方案，还为生产具有显著潜力的先进材料开辟了新途径。通过FJH技术，CFRP废弃物在毫秒级时间内被转化为具有高孔隙率、层状结构和低氧官能团浓度的涡旋堆叠石墨烯。这种独特的结构赋予了其优异的电化学性能，使其在两电子氧还原反应（2e⁻ ORR）中表现出接近100%的选择性和良好的活性，且稳定性测试表明其性能得以保持。该研究的核心理念是开发一种可持续的电催化剂，用于H₂O₂的电化学合成，从而推动循环经济的发展并支持全球可持续发展目标。

图1展示了碳纤维复合材料闪蒸石墨烯（CFC-FG）的两步合成过程及其关键步骤的可视化结果。图1(a)为合成示意图，包括预处理阶段（环氧树脂的热解）和闪蒸焦耳加热（FJH）阶段。预处理通过10 A的电流加热10秒，使环氧树脂分解并产生挥发物，这一过程通过图1(b)的高速视频截图得以确认。在FJH阶段，样品在400 A的电流下加热200毫秒，图1(c)的高速视频截图显示了加热过程中的不均匀性，表明低导电区域会导致局部过热。通过优化参数（如电容电压、脉冲时长和样品电阻），CFC-FG的合成实现了高重现性。图1(d)和图1(e)分别展示了FJH过程中电容的电压放电曲线和样品中的电流流动情况，这些数据进一步验证了合成过程的可控性和稳定性。最终得到的CFC-FG为均匀的灰色块状物，易于研磨，便于后续处理。

图2通过扫描电子显微镜（SEM）分析展示了预处理前后的碳纤维复合材料（CFC）和CFC-FG的微观形貌。图2(a)和图2(c)显示，预处理后的碳纤维保持了其原始的形态和结构完整性，表面光滑，但环氧树脂热解后形成了附着在纤维上的不规则颗粒。经过FJH处理后，CFC-FG的形貌发生了显著变化（图2(b)和图2(d)），纤维呈现出明显的层状结构和多孔性，且部分纤维发生了剥离和褶皱化。这种结构变化不仅增加了材料的比表面积和孔隙体积，还暴露了更多的催化活性位点，从而显著提升了其催化性能。这些结果表明，FJH过程有效地将碳纤维复合材料转化为具有高孔隙率和层状结构的闪蒸石墨烯。

图3通过透射电子显微镜（TEM）、选区电子衍射（SAED）、X射线衍射（XRD）、拉曼光谱和X射线光电子能谱（XPS）等手段对CFC-FG的微观结构和化学组成进行了全面分析。图3(a)的STEM明场图像显示了CFC-FG的层状结构，表明其为多层石墨烯。图3(b)的SAED图像中呈现出明显的椭圆形衍射环，这是涡旋堆叠石墨烯的典型特征，表明石墨烯层之间存在旋转和位移。图3(c)的XRD分析进一步确认了CFC-FG的涡旋堆叠结构，其层间距为0.346 nm，高于理想石墨的0.3354 nm。图3(d)的拉曼光谱中出现了D峰、G峰和2D峰，并且罕见地观察到了D'峰，这表明CFC-FG具有高缺陷密度和涡旋堆叠结构。图3(e)至图3(g)的XPS分析显示，CFC-FG的氧含量极低，主要以sp²杂化的碳为主，这有利于提高其电化学稳定性和催化活性。这些结果表明，CFC-FG具有独特的结构和化学组成，使其在电化学应用中具有显著优势。

图4展示了CFC-FG在两电子氧还原反应（2e⁻ ORR）中的电化学性能评估。图4(a)为在0.1 M KOH电解液中测得的ORR极化曲线，CFC-FG表现出最高的电流密度和最低的过电位，表明其具有优异的催化活性。图4(b)的塔菲尔（Tafel）曲线进一步揭示了CFC-FG与玻璃碳（GC）和高定向热解石墨（HOPG）的内在活性差异，尽管GC的内在活性略高于CFC-FG，但CFC-FG的多孔结构和丰富的缺陷使其在实际应用中更具优势。图4(c)显示了CFC-FG在0.55至0.25 V vs. RHE的电位范围内接近100%的H₂O₂选择性，远高于其他材料。这种高选择性归因于其高缺陷浓度、表面氧官能团以及石墨烯层之间的旋转错位。图4(d)展示了CFC-FG在25小时稳定性测试前后的活性和选择性对比，结果表明其性能几乎未发生变化，表明CFC-FG具有优异的稳定性。这些结果表明，CFC-FG作为一种可持续的电催化剂，在H₂O₂电化学合成中具有广阔的应用前景。

总之，本研究通过闪蒸焦耳加热（Flash Joule Heating, FJH）技术，成功将废弃或过期的碳纤维复合材料（CFC）升级转化为涡旋堆叠闪蒸石墨烯（CFC-FG），解决了传统石墨烯合成方法中存在的挑战。该方法具有简单、可扩展的特点，适用于CFC的回收和升级再造。表征研究表明，CFC-FG保留了前驱体的管状形貌，展现出高孔隙体积和显著的比表面积，同时含有氧官能团，赋予材料良好的化学多功能性。其独特的富含缺陷的涡旋堆叠结构通过拉曼光谱中的D'峰和选区电子衍射（SAED）中的椭圆环图案得以证实。这些结构和化学特性使CFC-FG在两电子氧还原反应（2e⁻ ORR）中表现出接近100%的过氧化氢（H₂O₂）电合成选择性和适中的催化活性，且具有优异的稳定性，适合在苛刻的电化学环境中使用。与玻璃碳（GC）相比，CFC-FG在功能多样性上更具优势。此外，CFC-FG的合成过程符合绿色化学原则，无需溶剂和酸，是一种环境友好的可持续替代方案。该方法不仅实现了废弃物的高值化利用，还为解决环境问题提供了创新思路，展示了其在可持续和高效H₂O₂生产中的巨大潜力。