研究背景全球每年产生逾4亿吨塑料其中高密度聚乙烯HDPE因化学惰性可在环境中存留数百年传统机械回收仅能获得低值产品化学氧化或CVD法合成石墨烯则耗时数小时至数天、且需高毒性试剂严重阻碍了废塑料向高价值碳材料的高效转化与此同时石墨烯凭借2630 m²/g的理论比表面积、优异导电性和机械稳定性被视为下一代超级电容器电极的理想候选但如何以绿色、快速、可扩展的方式从废塑料中制得高质量石墨烯并直接集成于功能化电极仍是材料与能源交叉领域亟待突破的核心挑战。论文概要本文由印度巴巴原子研究中心 Kinshuk Dasgupta 团队在Electrochimica Acta发表利用闪蒸焦耳热FJH装置将 HDPE 废塑料瓶在12 秒4次闪放×3 s内转化为高质量涡轮层错石墨烯HDPE-FG施加 180 V 电压使样品在毫秒内升温超过 3000°C经逐步多次闪放HDPE1→HDPE4实现石墨烯纯度从 8.8% 攀升至99.7%Raman 分析给出 I₂D/IG 1.22、ID/IG 0.05确认最终产物为高质量少层石墨烯。团队将 HDPE4 涂覆于浮动催化剂 CVD 自制的功能化碳纳米管FCNT气凝胶薄膜上无需外加导电添加剂制备出柔性集流体-活性材料一体化电极在 1 M KOH 三电极体系中比电容达132.8 F/g0.3 A/g1 M H₂SO₄中为 102.5 F/g16000圈循环后容量保留接近100%H₂SO₄或93–100%KOH对称全电池PVA-KOH凝胶能量密度 1.14 Wh/kgRagone 曲线与综合电化学性能与文献中需耗时数天才能合成的传统碳材料相当甚至更优系统阐明了超快塑料升值与高性能储能的耦合可行路径。图文解读图1 2.FJH 实验装置与 HDPE 废塑料处理全流程图 1 呈现 FJH 系统核心构成石英管样品台、反应腔、180 mF 电容组和真空泵协同运作电极间距可调以精确控制初始电阻约 100 Ω。图 2 展示从废旧 HDPE 塑料瓶→裁切→与炭黑20:80 w/w混合→装管→闪放→分离石墨烯的全流程无需溶剂或催化剂操作简便。图3.FJH 电流与温度实时曲线毫秒内超越 3000°C图 3 记录了第三次 FJH 过程中的电流与温度瞬态曲线样品在数百毫秒内升温超过 3000°C。该极端瞬态高温驱动 HDPE 快速裂解、脱氢并促使碳原子重排是实现毫秒级石墨化的关键。图4.Raman 光谱逐步闪放驱动结构有序化演变图 4 显示随着闪放次数增加ID/IG 从 1.05 降至 0.05而 I₂D/IG 从 0.34 升至 1.22。说明材料由无序碳逐步转化为缺陷更少、结晶性更高的少层涡轮层错石墨烯。图56.TGA 热稳定性 SEM/HRTEM 形貌与晶格表征图 5 表明 HDPE4 的主要氧化峰移至 550°C 以上说明其石墨化程度和热稳定性最高。图 6 的 SEM/HRTEM 进一步显示互连褶皱片层结构层间距为 0.3475 nm证实产物为具有扩展层间距的涡轮层错石墨烯。图7.产率/纯度演变 气相 FTIR反应路径可视化图 7 显示石墨烯产率由 5.9% 升至 32.9%纯度由 8.8% 升至 99.7%HDPE4 为最优终点。同步气相 FTIR 表明脂肪族 C–H 信号逐步消失说明聚合物持续脱氢并向高纯石墨烯结构演化。图8.FCNT 柔性电极制备与三电极测试装置图 8 展示了 HDPE4 涂覆于 FCNT 气凝胶后的柔性电极实物和三电极测试装置。该设计无需额外导电添加剂且 FCNT 对总电容贡献仅约 3–9%说明 HDPE4 是主要活性材料。图9.1 M H₂SO₄ 三电极完整电化学性能表征图 9 表明 HDPE4 在 1 M H₂SO₄ 中表现出典型 EDLC 行为0.3 A/g 时比电容为 102.5 F/g库仑效率保持在 99% 左右。EIS 拟合得到 Rs 1.43 Ω且 16000 圈循环后容量几乎无衰减说明其导电性和稳定性都很突出。图10.1 M KOH 三电极电化学性能最高 132.8 F/g图 10 显示 HDPE4 在 1 M KOH 中比电容进一步提升至 132.8 F/g0.3 A/g且库仑效率保持在 97–99%。其 Rs 2.32 Ω、Rct 16.77 Ω16000 圈后仍保持 93–100% 容量说明碱性体系下同样具有优异稳定性。图11.PVA-KOH 凝胶对称全电池Ragone 图与 6000 圈稳定性图 11 表明在 PVA-KOH 凝胶全电池中HDPE4 仍可实现 66.8 F/g 比电容和 1.14 Wh/kg 最高能量密度。器件经 6000 圈后仍保持较高库仑效率但容量衰减主要来自凝胶电解质长期脱水。总结展望本研究以闪蒸焦耳加热FJH装置为核心平台在仅 12 秒内将废弃 HDPE 塑料瓶升值为 I₂D/IG 1.22、纯度 99.7% 的高质量涡轮层错石墨烯并与 FC-CVD 制备的功能化碳纳米管气凝胶薄膜无缝集成为柔性超级电容器电极在酸性/碱性/固态凝胶三类体系中均展现出优异的电化学储能性能循环寿命超 16000 圈既解决了 HDPE 废塑料的高值化处置难题又为快速制备高性能碳基储能材料开辟了绿色路径。展望未来进一步优化电容组配置以实现更精确的能量输入控制、探索 HDPE 与其他废弃聚合物如 PP、PET的混合原料适应性、引入杂原子掺杂以提升赝电容贡献、以及开发卷对卷 FCNT 薄膜与 FJH 石墨烯的连续涂覆工艺有望推动这一超快绿色合成平台向工业规模的柔性储能器件生产迈进为全球塑料污染治理与可再生能源存储的协同攻关提供切实可行的技术方案。引用信息Subham Kumar, Rajath Alexander, Amit Kaushal, Jyoti Prakash, Kinshuk Dasgupta*. High-performance supercapacitor based on graphene derived from plastic waste using flash joule heating.Electrochimica Acta, 572 (2026) 149178.DOI: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2026.149178