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纤维增强塑料（FRP）的结构是将增强纤维镶嵌团员物基体中，是一种坚固的复合材料。玻璃纤维增强塑料（GFRP）占通盘纤维增强塑料的 95%，具有分量轻、化学褂讪性好、机械性能优异等优点，已庸俗应用于从汽车和航空航天工业到风力涡轮机叶片和通顺器材等各式平台。据预计，到 2030 年，公共对 GFRP 的年需求量将杰出 600 万吨，年增长率将达到 10%。然而，GFRP 的使用寿命只消 10-40 年，这就导致了数百万吨 GFRP 的摈弃。当今，一半以上的废旧 GFRP 被径直填埋，因为这被合计是最低廉、最简单的处理路子。玻璃纤维增强塑料频繁由含有玻璃纤维的热固性塑料复合材料构成，塑料基体很难通过当然判辨或微生物处理降解。点燃法和融化法不错通过点燃团员物基体或使用化学试剂（如高浓度酸或碱）融化团员物基体，然后重新塑造玻璃纤维，从而竣事玻璃纤维的再哄骗。然而，团员物去除流程频繁会导致稀奇的温室气体排放或溶剂破费，从而产生二次废料流。
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为处置这一问题，莱斯大学James M. Tour西宾汇集科尔万大学赵玉峰西宾开拓了一种无溶剂、高能效的闪蒸升级再造圭臬，可将不同纤维增强塑料的搀杂物超快盘曲为碳化硅（一种庸俗使用的增强材料和半导体材料），且产量高（大于 90%）。通过诊治操作条目，可选用性地合成具有高纯度的 3C-SiC 和 6H-SiC 两种不同相的 SiC。哄骗闪蒸碳热收复本领制备（FCR）赢得的 SiC 粉末，本钱低至 0.047 好意思元/千克(约338元/吨，不到白菜价)，诀别为融化法和点燃法的 0.2% 和 3.4%，可用作锂离子电板的负极材料。与 6H-SiC 阳极比较，3C-SiC 阳极在 0.2 C 时进展出更优胜的可逆容量和速轻易能，同期两者齐进展出考究的轮回褂讪性。人命周期评估流露，与其他可用的纤维增强塑料处理圭臬比较，本接头开拓的闪蒸回收再造圭臬大大缩小了能源需求、温室气体排放和水破费。关系规则以“Flash upcycling of waste glass fibre-reinforced plastics to silicon carbide”为题发表在《Nature Sustainability》上，第一作家为Yi Cheng, Jinhang Chen和邓兵（现已加盟清华大学）为共归拢作。
通过 FCR 升级回收摈弃纤维增强塑料
在接收闪蒸碳热收复（FCR）工艺之前，先将摈弃的 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%的团员物涂层构成。在碳化收复流程中，GFRP 和 CFRP 的搀杂物在石英管内轻细压缩，石英管两侧各有两个石墨电极，并与外部电容器组连结。CFRP 既是导电添加剂，亦然碳热收复剂。在闪蒸流程中，电流脉冲以高压输入相貌通过样品，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 放电时辰内达到 ∼ 350 A（图 1b）。使用红外测温仪测量了样品的温度弧线，在 150 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）。在如斯高的温度下，GFRP 中的 SiO 2 不错通过碳化热收复成 SiC，而过剩的碳则会盘曲为闪石墨烯。
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图 1：通过 FCR 将 FRP 升级为碳化硅
SiC的相控合成
皇冠即时比分碳化硅的结构因硅原子和碳原子的枚举而异，这在很猛进度上影响了它的特点和应用性能。举例，与 6H-SiC 比较，3C-SiC 具有更小的带隙、更低的热导率、更高的电子迁徙率和更高的硬度。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）。比较之下，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误差位点（图 2a 右）。在 FCR 流程中，皇冠现金盘作家发现通过调度闪光电压和闪光时辰，不错选用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 图谱流露，3C-SiC 和 6H-SiC 的相纯度诀别可达 99% 和 90%（图 2c）。拉曼光谱中显然的 TO 带和 LO 带（图 2d）阐发了 SiC 的高纯度。扫描电子显微镜（SEM）的形状特征流露，3C-SiC 和 6H-SiC 粉末的横向尺寸相通，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枚举和晶格条纹（图 2f、g、i、j）。0.25 nm 的平面间距 (d) 格外于 3C-SiC 的 (111) 平面（图 2g），而 0.26 nm 的 d 则格外于 6H-SiC 的 (010) 平面（图 2j）。不同的选区电子衍射（SAED）图进一步阐发了 3C-SiC 和 6H-SiC 的结构各异（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 的硅基产率诀别保执在 94% 和 91% 的高值，这标明作家的 FCR 工艺导致的硅亏欠不错忽略不计。
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图2：SiC的相控合成
相变机制
为了接头 SiC 的相变流程，作家通过 XRD 图谱谋划了在不同输入电压和闪蒸时辰下合成的 SiC 样品的相变比率（图 3a,b）。作家不雅察到，输入电压和闪光时辰的加多会导致 3C-SiC 向 6H-SiC 盘曲，这标明较高的反馈温度和较长的反馈时辰促进了相变。
为了解说相变机制，作家最初对这两种相的详备结构特征进行了表征。通过使用电子顺磁共振（EPR）光谱，作家在 3C-SiC 和 6H-SiC 中齐检测到了硅空位。3C-SiC 和 6H-SiC 的 EPR 线形不同，标明硅空位的环境不同（图 3c）。屡次 FCR 流程中的高温（2,900 °C，150 V）会导致硅原子驾御挥发，从而使 6H-SiC 中的硅空位含量更高（图 3d）。此外，作家还哄骗密度泛函表面（DFT）谋划来描画硅-碳体系的能谱（图 3e,f）。作家发现，硅空位主导着 Si-C 相的酿成能，是 SiC 相变的要道身分（图 3e、f）。硅空位含量较低（<10%）时，3C-SiC 的酿成能低于 6H-SiC，而硅空位含量较高（>10%，图 3e,f）时，6H-SiC 的热力学褂讪性更高。
图 3：SiC 相变机理
SiC负极材料的LIB性能
体育代理招商具有 Si-C 双层堆叠结构的碳化硅为锂离子插层提供了理思的空间，被合计是一种潜在的 LIB 负极材料。碳化硅的电化学特点，包括载流子密度、电子传导性和离子扩散性能，在很猛进度上取决于其相。作家比较了 3C-SiC 和 6H-SiC 阳极的电板性能。长久电静态放电-充电轮回规则标明，3C-SiC 和 6H-SiC 阳极齐能在 200 次轮回中保执褂讪的容量，容量亏欠在 5%以下（图 4a-c）。然而，3C-SiC 阳极在 200 次轮回后流露出 741 mAh g -1 的出色容量，比 6H-SiC 阳极（626 mAh g-1）逾越 16%。在轮回速度为 0.1 C、0.2 C、0.4 C、0.8 C 和 1.6 C 时，3C-SiC 阳极的平均比容量诀别为 781、765、679、550 和 309 mAh g -1，与 6H-SiC 阳极比较，性能均有所升迁（图 4d）。
作家进一步接头了 SiC LIB 性能随相变化的机理。接收轮回伏安法（CV）评估 Li + 扩散能源学。关于 3C-SiC 和 6H-SiC 阳极，第一次扫描中 0.8 V 以下的不能逆锂化峰值与 SEI 的酿成揣度，与图 4a,b 中的放电平台相对应。第一周期扫描后，跟着电位扫描速度的进一步升迁，通盘 CV 弧线在锂化/去锂化流程中齐呈现出相通的阵势，标明 Li + 的插入和索取是可逆的，极化进度较小（图 4e,f）。然后，EIS 光谱流露，与 6H-SiC 阳极（图 4g）比较，3C-SiC 阳极的电荷盘曲电阻较低，这标明 3C-SiC 阳极的电荷盘曲速度较高。低频区的斜率与 Li+ 扩散流程揣度。3C-SiC 阳极的斜率较高，标明其 Li+ 扩散效劳更高（图 4g）。
在半电板性能优异的基础上，3C-SiC 阳极被进一步用作全电板的阳极，并以商用 NMC622手脚阴极。经过 200 次轮回后，全电板的容量可保执在 2.39 mAh 的高值，容量保执率为 82%（图 4i），其中等容量可谋划为 1.55 mAh cm -2。这标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板的正极材料。
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图 4：SiC 阳极的联系系 LIB 性能
可彭胀性和人命周期评估
作家进行了 \"从摇篮到额外 \"人命周期比较评估，以比较 FCR 升 级再轮回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。本接头磋议了三种情况（图 5a），即融化、点燃和 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。由于反馈时辰超短、能效高，FCR 工艺的能耗、温室气体排放量和耗水量均大幅着落（图 5b）。具体而言，FCR 工艺的累计能耗诀别比融化和点燃回收工艺低 77% 和 96%（图 5c）。该快速点燃和碳收复工艺的温室气体积聚排放量与融化法格外，比点燃法低 81%（图 5d）。当合成 1 千克 SiC 时，回收相应数目的废纤维增强塑料，FCR 的本钱低至 0.047 好意思元/千克（诀别为融化法和点燃法的 0.2% 和 3.4%）（图 5e）。
图 5：纤维增强塑料回收哄骗的人命周期评估
小结
鉴于公共废纤维增强塑料的数目驾御加多，FCR 圭臬提供了一种经济、环保的路子，可将废纤维增强塑料升级回收为具有考究相位可控性的高附加值碳化硅。这收缩了废料处理的职守，并大大减少了传统回收圭臬产生的二次废料流。这种圭臬还可彭胀到多种含硅废料的回收哄骗，包括玻璃和沙子。当进一步扩大到公斤或吨级范围时，这种圭臬有望促进轮回经济的发展，而由此合成的碳化硅可为电板除外的更庸俗应用提供契机，如复合材料加固、半导体、光催化和电催化等。
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