雜貨店的包裝，衣服的起絨，塑膠購物袋–塑膠和微塑膠無處不在，而且無處不在。實際上，要在垃圾填埋場中分解需要數百年的時間 。為了加快分解過程，萊斯大學的科學家正在將這些廢棄的塑膠轉變成無毒的天然材料。他們透過使用一種新開發的技術（稱為“快速焦耳加熱”）將塑膠材料快速加熱到很高的溫度來實現。
當前，有幾種塑膠回收技術被廣泛使用，但結果卻不盡相同。例如，塑膠袋是塑膠廢物流的巨大貢獻者–廢物收集公司廢物管理公司（ Waste Management）估計，僅在美國，每年就使用超過10億個塑膠袋。更令人震驚的是，每個塑膠袋平均使用不到一小時。當前，回收塑膠袋的最常見方法 是將其壓縮成複合木材或小顆粒，這些材料可用於建築材料。儘管這是重複使用一次性塑膠的絕佳方法，但這種塑膠仍不可生物降解。
相比之下，“快速焦耳加熱”方法將塑膠變成石墨烯，石墨烯具有很高的可回收性和非常的穩定性。 石墨烯 本身具有極強的韌性和可拉伸性，比鋼強200倍。石墨烯是石墨的單層形式，石墨是一種天然存在的碳基礦物，通常被發現為鉛筆芯。通常，開採石墨，然後 機械加工 以分離其各層，從而形成石墨烯。但是，獲得石墨可能很昂貴。透過從塑膠廢料中直接產生石墨烯，可以降低其生產成本。重要的是，降低的生產成本可以導致在學術研究之外廣泛使用石墨烯-隨著生產成本的降低，可以將石墨烯新增到 混凝土中， 橡膠或 瀝青 以提高強度和效能。像這樣的創新將使石墨烯更廣泛地用於商業用途。
除了降低石墨烯的生產成本外，使用塑膠生產石墨烯也對環境產生重大影響。首先，高水平的 汙染 是由石墨開採引起的。直接從塑膠中生成石墨烯可能會破壞石墨供應鏈，從而降低採礦活動並減少採礦造成的汙染。其次，這種石墨烯生產技術具有透過減少塑膠廢物來轉化垃圾填埋場的能力。儘管仍在研究石墨烯的生物降解性，但研究表明石墨烯可以在幾個月內分解 ，這比其他普通塑膠要快得多 。最終，直接實驗室生產石墨烯有可能對環境產生巨大影響。
閃光焦耳加熱實際上是一個相當簡單的過程，涉及使大電流流過塑膠材料。 焦耳加熱 是一種常用的加熱技術。如果您使用過熨斗，那麼您會看到焦耳加熱的作用。當電流透過導電材料（如鐵的金屬）時，會迅速產生熱量。閃光焦耳加熱只是意味著，不是隨著時間的流逝積累熱量，而是使大的初始電流流經材料，這會引起強烈的熱量爆發。對於塑膠廢料，在合適的條件下，這種強烈的熱量實際上會引起化學轉化。
為了將塑膠轉化為石墨烯，需要執行一些關鍵的中間步驟。首先，必須將塑膠廢料切成足夠小的塊來導電。大塊塑膠通常具有 電阻性，這意味著它們不能導電。但是，透過將廢塑膠切成最佳尺寸，它可以導電。在此初始處理之後，將極高的電流施加到塑膠上，非常快地對其進行加熱。這種熱爆發使塑膠發生化學轉變，從而生成質量較低的石墨烯以及一些氫和碳氫化合物。然後可以將劣質石墨烯閃蒸或再次快速加熱，從而製得高質量的石墨烯。
該論文的第一作者Wala Algozeeb解釋說，從塑膠廢料中獲得高質量的石墨烯最初是一個挑戰。她說：“在旅程的一開始，要從塑膠廢料中獲得高質量的石墨烯是一項挑戰，這是因為[數量]在閃蒸時會揮發出來。我們很幸運，有一支出色的團隊考慮使用兩種電流（交流+直流）以提高質量。”
為了生產高質量的石墨烯，必須最佳化透過樣品的電流。最好的石墨烯是透過結合使用交流電和直流電而製成的。首先，將交流電（電流方向週期性切換）施加到塑膠上八秒鐘。交流電可使塑膠達到足夠高的初始溫度以形成石墨烯，並有助於在脈衝之間進行快速冷卻。交流電獨有的快速冷卻步驟可防止新形成的石墨烯堆疊成層。但是，這種交流電會產生初始的低純度石墨烯。
在這一點上，可以施加直流電流500毫秒，這要短得多。該直流脈衝達到的溫度甚至高於交流電步驟，這是形成高質量石墨烯所必需的。這項研究是對廢塑膠使用閃焦加熱的第一個例子。作者先前曾研究過不同研究級碳材料的加熱，但是將其方法應用於塑膠需要對系統進行重大最佳化。
除了最佳化電流外，另一個挑戰是確定將塑膠切成何種尺寸。為了加熱樣品，電流需要能夠流過整個樣品，而不僅僅是一部分。當塑膠塊太大（大於2mm）時，塑膠粉末的導電性不足以飛散。但是，相比之下，當塑膠片小於50微米（1/20毫米）時，它們只是從閃蒸室中掉出來。為了解決這個問題，研究人員測試了一系列塑膠晶粒尺寸。經過測試後，他們發現粒徑在1到2毫米之間的塑膠粉末是該工藝的理想選擇。
這個研究小組的初創公司Universal Matter致力於開發閃焦加熱裝置，以工業規模回收塑膠廢料。與普通的塑膠回收技術相比，該技術具有一些主要優點。一個好處是，快速焦耳加熱不需要對塑膠材料進行任何化學預處理，這意味著塑膠可以簡單地破碎成小塊並加熱，而無需使用任何其他刺激性化學物質。此外，直接向樣品施加電流會產生與使用熔爐非常相似的結果 ，但由於不需要對外界環境進行高溫加熱，因此更加節能。科學家估計，將一噸塑膠廢料轉化為石墨烯只需花費124美元。路邊回收計劃的成本可能高達 每噸150美元，無論如何，大量塑膠最終會進入垃圾填埋場。除了具有可比的成本外，就將塑膠廢物從垃圾填埋場轉移出去而言，這種替代回收技術的發展可能是巨大的。
研究人員建議，他們將塑膠轉化為石墨的策略將能夠在工廠和回收工廠中廣泛實施。Algozeeb說：“我們認為閃速石墨烯的未來很大，尤其是在廢物管理領域。鑑於我們的石墨烯價格低廉，我們認為它將用作水泥，聚合物和瀝青道路的新增劑。”
市場報告預測，未來五年石墨烯市場將增長40％ 。加上美國產生的垃圾量增加（ 2018年塑膠約 3500萬噸），類似的發展似乎已準備好從實驗室移至現實世界。同時，您可以透過對生活進行一次小而重大的改變來幫助消除塑膠廢物：將您自己的可重複使用的布袋帶到商店。