第一作者：吳菁

通訊作者：李金惠教授

通訊單位：清華大學

DOI: 10.1002/adma.202515938

全文概述

  本文開創性地提出秒級非平衡碳熱沖擊（CTS）變革性策略，成功將退役風電葉片等多組分、難處理的復雜異質復合材料（玻璃/碳纖維增強聚合物與PVC泡沫芯體混合物）實現高值化升級回收。該技術利用超快焦耳加熱與精準時溫控制，突破傳統方法的動力學限制，實現了SiC多晶型和新型雜化石墨烯等多產物的原子級定向合成，可選擇性制備3C-SiC、亞穩態6H-SiC、渦輪層石墨烯及新型AB-渦輪層雜化石墨烯（HG）。結合多尺度表征與分子動力學模擬，所制備的材料展現出卓越的電導率和力學增強性能。生命周期評估（LCA）與技術經濟分析證實，CTS技術相比傳統熱解法，全球變暖潛能值降低86%，運營成本降至0.11美元/千克，為復雜廢棄物資源化利用提供兼具環境效益與經濟可行性的新范式，推動循環經濟發展。

本文亮點

（1）復雜前驅體高效利用： 無需分離預處理，直接將多組分異質復合廢棄物（能“吃粗糧”）轉化為高品質先進材料（能“煉精品”），徹底解決風電葉片等工業廢料的環保處置難題。

（2）原子級精準調控： 通過秒級超快加熱與時溫協同調制，實現了SiC多晶型（3C/6H）與石墨烯結構（渦輪層/AB-渦輪層雜化）的按需、定向合成，打破傳統單一產物的局限。

（3）新型雜化石墨烯突破： 首次實現 AB-渦輪層雜化石墨烯的調控合成，巧妙地融合AB堆疊域的高載流子遷移率與渦輪層域的強機械互鎖優勢，性能大幅超越傳統還原氧化石墨烯（RGO）。

（4）綠色低耗與工業可行性： 秒級焦耳加熱極致降低能耗，LCA證實全球變暖潛能值降低86%，運營成本僅為傳統熱解的1%，為工業規模化提供可持續、經濟可行的技術路徑。

圖文解析

圖1：CTS工藝參數與相工程

圖（a）不同輸入電流（100-300A）下的溫度-時間曲線，直觀展現CTS精準控溫能力。圖（b）XRD圖譜證實溫度依賴性相演變：2400℃主導形成3C-SiC，2700℃時SiC完全分解生成石墨烯。圖（c）拉曼光譜顯示高溫下碳材料向渦輪層石墨烯轉變，2692 cm?1處強2D峰驗證石墨烯高結晶性。解釋了隨溫度升高，產物由SiC向石墨烯演變。圖（d）硅與碳的蒸氣壓-溫度關系，揭示2700℃時硅蒸氣壓激增是SiC分解生成石墨烯的熱力學驅動力。圖（e）SiC提純流程示意圖，通過氫氟酸浸出除雜和高溫氧化脫碳，實現99%以上的相純度。圖（f-g）XPS全譜表明HF處理有效去除金屬雜質，證實表面氧化層被清除，主體為Si-C鍵，展示高純度SiC的獲得路徑。圖（j）為CTS相工程路徑匯總， 通過溫度與時間調制，從單一廢料實現多類高價值材料的定向合成。

圖2：SiC多晶型與雜化石墨烯的原子尺度表征

圖（a）為不同電流和保溫時間的溫度-時間曲線，為亞穩態相和雜化結構合成提供精準熱環境。圖（b）XRD圖譜顯示，1500℃延長保溫生成6H-SiC，2000℃延長保溫則形成雜化石墨烯。圖（c）拉曼光譜顯示高溫延長保溫下石墨烯結晶質量提升，展現結構演變規律。圖（d）EPR光譜表明6H-SiC的硅空位濃度高于3C-SiC。圖（e-f）HRTEM與SAED證實6H-SiC的（102）晶格間距（2.51 ?），明確其晶體結構。圖（g）HRTEM圖像顯示雜化石墨烯中AB堆疊（g?）與渦輪層（g?）納米域共存。圖（h）拉曼mappings統計驗證雜化石墨烯的結構異質性，64%為AB堆疊域，36%為渦輪層結構，這種獨特的結構設計使其在電導率、熱導率和機械增強方面均表現卓越。

圖3：CTS相演變的原子尺度機制

圖（a）MD模擬揭示原子級演變，1500℃延長退火形成6H-SiC，2700℃快速生成渦輪層石墨烯，延長保溫則向AB堆疊轉變。圖（b）Si-C-O三元相圖，闡明1800℃、2400℃、2700℃下的相穩定區域，為產物選擇性提供熱力學依據。圖（c）CTS升級回收策略示意圖顯示，溫度程序控制下，風電葉片廢料經碳熱還原與Si-C鍵斷裂，定向轉化為SiC或石墨烯。圖（d）為關鍵反應的吉布斯自由能隨溫度變化，明確SiO/CO中間體生成及SiC合成與分解的熱力學可行性。圖（e）DFT計算表明缺陷碳表面對SiO?吸附能更高，而原始碳表面更利于SiO轉化為SiC，揭示初始石墨烯生長對SiC合成的促進 作用。

圖4：閃蒸石墨烯的溫度驅動演變與生長機制

圖（a）XRD圖譜結果顯示，隨溫度升高石墨烯（002）峰強度顯著增強，1800-2700℃強度提升430%，結晶性得到改善。圖（b）拉曼光譜表明，高溫下ID/IG比值降低，I?D/IG比值激增，驗證石墨烯缺陷減少、質量提升。圖（c）C1s XPS光譜顯示溫度升高促進sp3→sp2雜化轉變，氧、氯雜質含量大幅降低，碳純度達97.2%。圖（d-e）13C固體NMR波譜與XANES進一步確認sp2碳網絡的形成與結構有序性。圖（f）CFRP-PVC轉化為石墨烯的多階段轉化機制：脫氯化氫→碳重排→sp2網絡生長。

圖5：CTS合成3C-SiC納米顆粒的微觀結構與晶體學分析

（a-c）TEM圖像顯示，SiC顆粒尺寸隨溫度升高而減小，1500℃為200-250 nm團聚體，2400℃形成20-50 nm納米晶。（d）HRTEM圖像顯示2400℃合成SiC 的（111）晶格間距為2.51 ?，晶格有序性良好。圖（e）SAED圖譜的衍射斑點對應3C-SiC的（111）、（220）、（311）晶面，證實高結晶性與相純度。

圖6：CTS衍生渦輪層石墨烯結構表征

圖（a-c）TEM圖像顯示，隨溫度升高碳材料從無定形逐漸轉變為渦輪層狀石墨烯結構。（d）HRTEM圖像中的莫爾條紋證實亂層堆疊特征，層間存在旋轉錯位。（e）高倍HRTEM顯示層間距為3.44 ?，略大于理想石墨，源于非平衡合成的殘余應變。圖（f）SAED的連續衍射環驗證了渦輪層石墨烯的旋轉無序特性。（g）AFM高度曲線證實石墨烯為1-3層的少層結構。

圖7：材料性能與可持續性評估

生命周期評估與技術經濟分析表明，CTS技術在處理退役風電葉片時，全球變暖潛能值較傳統熱解法降低86%，操作成本降至每公斤0.11美元，展現出顯著的環境與經濟效益。此外，該技術合成的新型AB-渦輪層雜化石墨烯表現出優異性能，例如電導率高達1791 S m?1，且在環氧樹脂復合材料中實現了21.8%的拉伸強度增強。該技術還成功應用于多種其他原料，包括純化學品與光伏板回收硅，驗證了其廣泛的適用性與工業化潛力。

總結與展望

本研究提出了一種基于非平衡碳熱沖擊的新型材料合成范式，成功將廢棄風電葉片等復雜復合材料轉化為高性能SiC或雜化石墨烯。通過精準調控溫度與時間，實現了對材料晶體結構與堆疊方式的原子級控制，首次從單一廢料流中按需合成出3C-SiC、亞穩態6H-SiC、渦輪層石墨烯及新型AB-渦輪層雜化石墨烯（HG）材料體系。其中，HG通過納米尺度AB堆垛域與渦輪層域的調控合成，兼具高載流子遷移率與強機械互鎖效應，電導率達1790.7 S·m?1，僅5 wt%添加量即可使環氧樹脂復合材料拉伸強度提升21.8%，同時顯著改善熱導率與分散穩定性。研究結合多尺度模擬揭示了硅空位介導的亞穩相成核機制及非平衡條件下堆垛結構演化的熱力學-動力學競爭規律。該技術不僅兼具原子級精度、低能耗、低成本和易擴展等優勢，更在生命周期評估中展現出顯著的環境優勢，為實現“廢棄物→高價值材料”的循環經濟路徑提供了可行的技術支撐。未來，該平臺有望拓展至更多復雜廢棄物的資源化利用，推動綠色材料制造的產業化進程。

通訊作者簡介

李金惠，清華大學環境學院長聘教授、長江學者特聘教授，博士生導師；清華大學循環經濟與城市礦產研究團隊首席科學家；聯合國環境署巴塞爾公約亞太區域中心執行主任。長期擔任中國政府關于化學品、廢物和再生資源國際公約和平臺的談判專家，同時擔任中國環境科學學會循環經濟分會主任、中國循環經濟協會城市資源循環利用專業委員會專家委員會主任、中國管理科學學會環境管理專業委員會主任、聯合國大學解決電子廢物問題倡議（StEP）指導委員會委員等多項學術職務。主要從事全球環境治理、循環經濟與城市礦產、固體廢物和化學品管理政策、電子廢物資源化技術等研究。負責多項國家級課題和項目；擔任Circular Economy期刊主編、環境工程學報、Frontiers of Environmental Science & Engineering、Journal of Material Cycles and Waste Management等期刊編委。曾獲得2016年國家科技進步二等獎（排名1）、2022年中國循環經濟協會科技進步獎一等獎（排名第1）、2016年中日韓三國環境部長會議環境獎、2016年環境保護部“國家環境保護專業技術領軍人才”等國家、省部級獎勵及個人獎勵。

本文使用的焦耳加熱裝置由合肥原位科技有限公司研發，感謝老師支持與認可！

焦耳加熱裝置

焦耳加熱裝置是一種新型快速熱處理/合成的設備，該設備可使材料在極短（毫秒級/秒級）時間內達到極高的溫度（1000~3000℃），升溫速率最快可達到10000k/s；通過對材料的極速升溫，可考察材料在極端環境、劇烈熱震情況下的物性改變，可通過極速升降溫制備納米尺度顆粒，單原子催化劑，高熵合金等。目前廣泛應用在電池材料、催化劑、碳材料、陶瓷材料、金屬材料、塑料降解、生物質等領域。