纤维增强塑料（FRP）的结构是将增强纤维嵌入聚合物基体中，是一种坚固的复合材料。玻璃纤维增强塑料（GFRP）占所有纤维增强塑料的 95%，具有重量轻、化学稳定性高、机械性能优异等优点，已大范围的应用于从汽车和航空航天工业到风力涡轮机叶片和运动器材等各种平台。据估计，到 2030 年，全球对 GFRP 的年需求量将超过 600 万吨，年增长率将达到 10%。然而，GFRP 的常规使用的寿命只有 10-40 年，这就导致了数百万吨 GFRP 的废弃。目前，一半以上的废旧 GFRP 被直接填埋，因为这被认为是最便宜、最简单的处理途径。玻璃纤维增强塑料通常由含有玻璃纤维的热固性塑料复合材料组成，塑料基体很难通过自然分解或微生物处理降解。焚烧法和溶解法能够最终靠燃烧聚合物基体或使用化学试剂（如高浓度酸或碱）溶解聚合物基体，然后重新塑造玻璃纤维，以此来实现玻璃纤维的再利用。然而，聚合物去除过程通常会导致额外的温室气体排放或溶剂消耗，由此产生二次废物流。

  为解决这一问题，莱斯大学James M. Tour教授联合科尔万大学赵玉峰教授开发了一种无溶剂、高能效的闪蒸升级再造方法，可将不同纤维增强塑料的混合物超快转化为碳化硅（一种普遍的使用的增强材料与半导体材料），且产量高（大于 90%）。通过调整操作条件，可选择性地合成具有高纯度的 3C-SiC 和 6H-SiC 两种不同相的 SiC。利用闪蒸碳热还原技术制备（FCR）获得的 SiC 粉末，成本低至 0.047 美元/千克(约338元/吨，不到白菜价)，分别为溶解法和焚烧法的 0.2% 和 3.4%，可用作锂离子电池的负极材料。与 6H-SiC 阳极相比，3C-SiC 阳极在 0.2 C 时表现出更优越的可逆容量和速率性能，同时两者都表现出良好的循环稳定性。生命周期评估显示，与其他可用的纤维增强塑料处理方法相比，本研究开发的闪蒸回收再造方法大幅度的降低了能源需求、温室气体排放和水消耗。相关成果以“Flash upcycling of waste glass fibre-reinforced plastics to silicon carbide”为题发表在《Nature Sustainability》上，第一作者为Yi Cheng, Jinhang Chen和邓兵（现已加盟清华大学）为共同一作。

  在采用闪蒸碳热还原（FCR）工艺之前，先将废弃的 GFRP 和 CFRP 研磨成微米大小的粉末（图 1a）。研磨后的 GFRP 粉末由 63 wt%的无定形二氧化硅和 37 wt%的聚合物涂层组成。在碳化还原过程中，GFRP 和 CFRP 的混合物在石英管内轻微压缩，石英管两侧各有两个石墨电极，并与外部电容器组相连。CFRP 既是导电添加剂，也是碳热还原剂。在闪蒸过程中，电流脉冲以高压输入方式通过样品，使样品在几毫秒内达到高温。输入电压为 150 V 时，通过样品的最大电流在 1 s 放电时间内达到 ∼ 350 A（图 1b）。使用红外测温仪测量了样品的温度曲线 V 输入电压下，样品以超高速升温（∼104 °C s -1）和降温（∼103 °C s -1），峰值温度达到 ∼2,900 °C（图 1c）。在如此高的温度下，GFRP 中的 SiO 2 能够最终靠碳化热还原成 SiC，而多余的碳则会转化为闪石墨烯。

  碳化硅的结构因硅原子和碳原子的排列而异，这在很大程度上影响了它的特性和应用性能。例如，与 6H-SiC 相比，3C-SiC 具有更小的带隙、更低的热导率、更高的电子迁移率和更高的硬度。3C-SiC 具有立方晶格结构，每个单胞的中心有一个硅原子，四角有八个碳原子（图 2a 左）。相比之下，6H-SiC 具有六方结构，碳原子位于六方晶格位点，硅原子占据碳原子之间的间隙位点（图 2a 右）。在 FCR 过程中，作者发现通过调节闪光电压和闪光时间，可以选择性地合成相位可控的 3C-SiC 和 6H-SiC。具体来说，在 100 V 输入电压下通过单次闪蒸合成了相纯的 3C-SiC。进一步将电压升高到 150 V 并闪蒸10 次后，可促进其相变为 6H-SiC。

  纯化的碳化硅的 XRD 图谱显示，3C-SiC 和 6H-SiC 的相纯度分别可达 99% 和 90%（图 2c）。拉曼光谱中明显的 TO 带和 LO 带（图 2d）证实了 SiC 的高纯度。扫描电子显微镜（SEM）的形态特征显示，3C-SiC 和 6H-SiC 粉末的横向尺寸相似，均为 2-3 μm。高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像进一步揭示了两种相不同的原子排列和晶格条纹（图 2f、g、i、j）。0.25 nm 的平面间距 (d) 相当于 3C-SiC 的 (111) 平面（图 2g），而 0.26 nm 的 d 则相当于 6H-SiC 的 (010) 平面（图 2j）。不同的选区电子衍射（SAED）图进一步证实了 3C-SiC 和 6H-SiC 的结构差异（图 2h、k）。通过电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）检测硅基产率，3C-SiC 和 6H-SiC 的硅基产率分别保持在 94% 和 91% 的高值，这表明作者的 FCR 工艺导致的硅损失可忽略不计。

  为了研究 SiC 的相变过程，作者通过 XRD 图谱计算了在不同输入电压和闪蒸时间下合成的 SiC 样品的相变比率（图 3a,b）。作者观察到，输入电压和闪光时间的增加会导致 3C-SiC 向 6H-SiC 转化，这表明较高的反应温度和较长的反应时间促进了相变。

  为了解释相变机制，作者首先对这两种相的详细结构特征进行了表征。利用电子顺磁共振（EPR）光谱，作者在 3C-SiC 和 6H-SiC 中都检测到了硅空位。3C-SiC 和 6H-SiC 的 EPR 线形不同，表明硅空位的环境不同（图 3c）。多次 FCR 过程中的高温（2,900 °C，150 V）会导致硅原子不断蒸发，从而使 6H-SiC 中的硅空位含量更高（图 3d）。此外，作者还利用密度泛函理论（DFT）计算来描述硅-碳体系的能谱（图 3e,f）。作者发现，硅空位主导着 Si-C 相的形成能，是 SiC 相变的重要的条件（图 3e、f）。硅空位含量较低（10%）时，3C-SiC 的形成能低于 6H-SiC，而硅空位含量较高（10%，图 3e,f）时，6H-SiC 的热力学稳定性更高。

  具有 Si-C 双层堆叠结构的碳化硅为锂离子插层提供了理想的空间，被认为是一种潜在的 LIB 负极材料。碳化硅的电化学特性，包括载流子密度、电子传导性和离子扩散性能，在很大程度上取决于其相。作者比较了 3C-SiC 和 6H-SiC 阳极的电池性能。长期电静态放电-充电循环根据结果得出，3C-SiC 和 6H-SiC 阳极都能在 200 次循环中保持稳定的容量，容量损失在 5%以下（图 4a-c）。然而，3C-SiC 阳极在 200 次循环后显示出 741 mAh g -1 的出色容量，比 6H-SiC 阳极（626 mAh g-1）高出 16%。在循环速率为 0.1 C、0.2 C、0.4 C、0.8 C 和 1.6 C 时，3C-SiC 阳极的平均比容量分别为 781、765、679、550 和 309 mAh g -1，与 6H-SiC 阳极相比，性能均有所提高（图 4d）。

  作者进一步研究了 SiC LIB 性能随相变化的机理。采用循环伏安法（CV）评估 Li + 扩散动力学。对于 3C-SiC 和 6H-SiC 阳极，第一次扫描中 0.8 V 以下的不可逆锂化峰值与 SEI 的形成有关，与图 4a,b 中的放电平台相对应。第一周期扫描后，随着电位扫描速率的进一步提升，所有 CV 曲线在锂化/去锂化过程中都呈现出相似的形状，表明 Li + 的插入和提取是可逆的，极化程度较小（图 4e,f）。然后，EIS 光谱显示，与 6H-SiC 阳极（图 4g）相比，3C-SiC 阳极的电荷转移电阻较低，这表明 3C-SiC 阳极的电荷转移速率较高。低频区的斜率与 Li+ 扩散过程有关。3C-SiC 阳极的斜率较高，表明其 Li+ 扩散效率更高（图 4g）。

  在半电池性能优异的基础上，3C-SiC 阳极被进一步用作全电池的阳极，并以商用 NMC622作为阴极。经过 200 次循环后，全电池的容量可保持在 2.39 mAh 的高值，容量保持率为 82%（图 4i），其中等容量可计算为 1.55 mAh cm -2。这表明闪蒸回收再造的碳化硅正极材料有望成为高性能充电电池的正极材料。

  作者进行了 从摇篮到终点 生命周期比较评估，以比较 FCR 升 级再循环工艺与其他纤维增强塑料处理工艺对环境的影响和能源需求。本研究考虑了三种情况（图 5a），即溶解、焚烧和 FCR 工艺。分析了三种环境影响：能源需求、温室气体排放和用水量。由于反应时间超短、能效高，FCR 工艺的能耗、温室气体排放量和耗水量均一下子就下降（图 5b）。具体而言，FCR 工艺的累计能耗分别比溶解和焚烧回收工艺低 77% 和 96%（图 5c）。该快速燃烧和碳还原工艺的温室气体累积排放量与溶解法相当，比焚烧法低 81%（图 5d）。当合成 1 千克 SiC 时，回收相应数量的废纤维增强塑料，FCR 的成本低至 0.047 美元/千克（分别为溶解法和焚烧法的 0.2% 和 3.4%）（图 5e）。

  鉴于全球废纤维增强塑料的数量持续不断的增加，FCR 方法提供了一种经济、环保的途径，可将废纤维增强塑料升级回收为拥有非常良好相位可控性的高的附加价值碳化硅。这减轻了废物处理的负担，并大幅度减少了传统回收方法产生的二次废物流。这种方法还可扩展到多种含硅废物的回收利用，包括玻璃和沙子。当逐步扩大到公斤或吨级规模时，这种方法有望促进循环经济的发展，而由此合成的碳化硅可为电池以外的更广泛应用提供机会，如复合材料加固、半导体、光催化和电催化等。

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