第一作者：吴菁
通讯作者：李金惠
通讯单位：清华大学
近日，清华大学李金惠教授团队在材料学顶刊 《Advanced Materials》上发表题为“Non-Equilibrium Carbothermal Shock Upcycling: Atomically Precise Synthesis of Tailored SiC Polytypes and Novel Hybrid Graphene from Complex Composites”的论文。本研究采用瞬时碳热冲击（CTS） 技术，利用超快焦耳加热（最高≈3000 K）在毫秒级时间内实现极端高温与非平衡动力学控制，从而将未经分离的退役风电叶片复合材料按需精准转化为多种高性能功能材料。该方法首次实现了从同一废弃物原料中选择性合成不同结构的碳化硅（3C/6H-SiC）和新型杂化石墨烯（AB-turbostratic graphene），其中后者兼具高导电性（1791 S·m-1）与优异力学增强性能（复合材料强度提升21.8%）。结合多尺度表征与模拟，研究揭示了非平衡相演化的原子机制，并通过生命周期评估证明该技术具备显著的环境效益与经济可行性，为复杂废弃物的资源化与高端材料绿色制造提供了全新路径。
随着全球可再生能源装机容量的爆发式增长，退役风电叶片等复杂复合材料的回收已成为迫在眉睫的环境与经济挑战。这些巨型结构主要由玻璃纤维/碳纤维增强聚合物（GFRP/CFRP）与聚氯乙烯泡沫核芯组成，预计到2040年全球退役量将猛增至65.3万吨，远超填埋承载能力。传统回收技术如机械粉碎或高温热解不仅能耗巨大，且只能产出低附加值的降级产品，难以实现材料闭环。更关键的是，现有先进合成方法依赖高纯度原料，对这类多组分、化学键难以断裂的异质废弃物束手无策。近年来，尽管闪蒸焦耳加热技术在材料合成领域崭露头角，但其仅能处理单一硅源或碳源废弃物，无法应对真实工业废料中硅、碳、氧、氯等元素交织的复杂体系，更遑论实现原子级结构调控与多产物按需合成。这一瓶颈制约了废弃物高值化利用的工业化进程，亟需发展兼具原料适应性与产品精制能力的创新技术，在分子层面解锁复杂前驱体的合成潜力。
图文导读
温度调控下的相选择合成
通过调控CTS工艺的温度与时间参数，实现了从同一GFRP-PVC混合废料中选择性合成不同结构的材料。如图1所示，通过精确控制输入电流，可在不同温度下分别制备出立方3C-SiC和高纯度涡轮层石墨烯。XRD与拉曼光谱证实了材料随温度升高的相演化过程：约2400°C时主要形成3C-SiC，而在2700°C时，硅的挥发导致SiC分解，石墨烯成为主导相。此外，研究还通过酸洗与高温氧化等多步纯化工艺，成功去除了金属杂质与表面氧化物，获得了纯度超过99%的高质量SiC。
图1: CTS工艺参数与从GFRP-PVC废弃物中进行可调相工程
时温调控促进6H-SiC及杂化石墨烯形成
进一步地，研究团队通过延长中温条件下的CTS处理时间，成功合成了亚稳态6H-SiC和新型AB-涡轮层杂化石墨烯。如图2所示，在1500°C下持续加热40秒，可促进硅空位形成，诱导6H-SiC的生成。而在2000°C下延长处理时间至30秒，则能形成具有AB堆叠与涡轮结构共存的杂化石墨烯。高分辨电镜与拉曼谱图分析显示，该材料中约64%的区域为AB堆叠，36%为乱层堆叠。这种结构设计使材料在电导率、热导率和机械性能方面均有卓越表现。
图2：CTS衍生SiC多型体与杂化石墨烯的原子尺度表征与机理研究
原子尺度机理解析
为深入理解CTS过程的微观机理，研究团队结合分子动力学（MD）模拟和密度泛函理论（DFT）计算，对非平衡条件下SiC分解及石墨烯形成的机制进行了分析。模拟结果表明，延长热处理时间有助于乱层石墨烯逐步转变为有序的AB堆叠结构，而局部温度梯度是促成杂化石墨烯同时具有两种堆垛方式的关键因素。此外，DFT计算揭示石墨烯表面能够促进中间产物SiO向SiC的转化，从而协同提升SiC的生成率。这些多尺度模拟与实验结果相互印证，阐明了CTS工艺中相演化和动力学捕获的内在机制。
图3: 指导CTS相演化的原子尺度机理
材料性能与可持续性评估
通过对CTS产物的结构与性能开展系统表征，研究进一步评估了所制备材料的应用潜力和可持续效益。结果发现，CTS合成的3C-SiC具有高比表面积和纳米多孔结构，适合用于污染物吸附和催化等环境应用；相比之下，乱层石墨烯则表现出优异的电导率、热稳定性和分散性。在功能性能测试中，3C-SiC的电导率显著高于6H-SiC，而6H-SiC在热导率方面更具优势。对于杂化石墨烯，将其以5 wt.%的负载量添加进环氧树脂基体中，可使复合材料的拉伸强度提高21.8%，并且分散稳定性保持超过120天，性能显著优于添加相同比例商用RGO的对比材料。
此外，在可持续性方面，对比分析了CTS技术与传统废料处理工艺的环境和经济效益。如图4所示，在处理退役风电叶片废料时，CTS升级回收路线的全球变暖潜能值较常规热解法降低了约86%，而其运行成本则降至每公斤0.11美元，大幅改善了回收过程的环境友好性和经济可行性。值得注意的是，该CTS技术已成功应用到其他类型原料的资源化处理中，包括利用纯化学试剂以及从光伏组件回收的硅料等，证明了其对不同复杂体系的广泛适用性和良好的工业化放大潜力。
图4：材料性能与可持续性评估
小结
本研究通过瞬时碳热冲击技术，成功开发了一种基于温度与时间调制的非平衡相工程新策略，实现了从退役风电叶片等复杂异质废弃物中精准合成高性能定制材料。通过精确控制CTS过程中的超快动力学与空间热梯度，不仅实现了亚稳态6H-SiC在低温条件下的选择性合成，更首次创制了具有AB-涡轮层混合堆叠结构的新型石墨烯，该材料通过纳米尺度AB堆垛域与涡轮层域的调控合成，兼具高载流子迁移率与强机械互锁效应，电导率达1790.7 S·m⁻¹，仅5 wt%添加量即可使环氧树脂复合材料拉伸强度提升21.8%，同时显著改善热导率与分散稳定性，凸显了非平衡合成在设计功能定制材料方面的潜力。进一步地，基于多尺度表征与分子动力学模拟，研究揭示了动力学捕获是调控选择性相演变的关键机制，为理解非平衡过程提供了原子层级的理论支撑。该技术不仅将废弃物转化为具有明确应用指向的战略材料，更在环境与经济效益上取得显著突破，相较于传统热解工艺可实现全球变暖潜能降低86%及单位处理成本下降至0.11美元/千克，展现出推动先进材料绿色制造与循环经济发展的重大价值。未来可探索该非平衡合成策略在更广泛多元废弃物体系及多功能复合材料制备中的普适性与调控机制。该研究得到了国家重点研发计划和清华大学-丰田研究中心的支持。
