清華新聞網(wǎng)1月19日電（通訊員 徐明月）厭氧消化沼渣的處理處置與高值化利用是實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢棄物可持續(xù)管理的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。近日，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院劉建國(guó)教授課題組與鄧兵助理教授課題組合作提出了一種無(wú)溶劑兩步閃速焦耳熱處理新工藝，可在極短時(shí)間（1.4秒）內(nèi)實(shí)現(xiàn)沼渣向高品質(zhì)石墨烯復(fù)合材料的高效轉(zhuǎn)化，展示了原位利用沼渣中的金屬構(gòu)建高性能氧還原催化劑的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，并同步實(shí)現(xiàn)了全生命周期能耗與碳排放近90%的大幅降低及運(yùn)營(yíng)成本的顯著削減。
沼氣產(chǎn)業(yè)作為替代化石燃料、減少甲烷排放的重要負(fù)碳路徑，正迎來(lái)爆發(fā)式增長(zhǎng)。然而，沼氣基礎(chǔ)設(shè)施的快速擴(kuò)張也帶來(lái)了嚴(yán)峻的環(huán)境與資源挑戰(zhàn)，即大量厭氧消化殘余物（沼渣）的產(chǎn)生。沼渣主要源自畜禽糞便、秸稈、餐廚垃圾及污泥，不僅富含致病微生物和持久性有機(jī)污染物，還常伴有潛在的重金屬風(fēng)險(xiǎn)。目前的處置方式主要依賴(lài)高能耗的焚燒或填埋，這不僅是人為甲烷排放的重要來(lái)源，其滲濾液更對(duì)地下水安全構(gòu)成威脅。此外，碳中和轉(zhuǎn)型催生了對(duì)燃料電池等能源轉(zhuǎn)換技術(shù)的需求，其核心的氧還原反應(yīng)（ORR）通常依賴(lài)昂貴且稀缺的鉑等貴金屬催化劑，而傳統(tǒng)的非貴金屬碳材料合成往往涉及復(fù)雜的化學(xué)氣相沉積或多步活化，碳排放強(qiáng)度高。因此，現(xiàn)有的末端處理模式不僅加劇了次生環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，也未能充分挖掘廢棄生物質(zhì)的資源價(jià)值。
針對(duì)上述問(wèn)題，劉建國(guó)和鄧兵提出一種原料定制化的兩步閃速焦耳熱（two-step flash Joule heating, TS-FJH）策略，無(wú)需高能耗預(yù)處理，即可將多種來(lái)源的沼渣高效轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)石墨烯復(fù)合材料。該方法基于閃速焦耳加熱技術(shù)，首先通過(guò)低溫階段（550℃，1秒）將絕緣的生物質(zhì)前體快速熱解為導(dǎo)電生物炭，隨后通過(guò)高溫階段（2300℃，0.4秒）利用脈沖電流誘導(dǎo)石墨烯的瞬間重構(gòu)。牛糞沼渣因其內(nèi)源性富鐵特性，在電熱過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了鐵顆粒在富缺陷石墨烯基體中的原位錨定，從而構(gòu)建出具有優(yōu)異氧還原活性的鐵-石墨烯雜化材料。得益于極短的反應(yīng)歷程和無(wú)溶劑工藝，生命周期評(píng)估與技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析表明，該技術(shù)較傳統(tǒng)物理/化學(xué)剝離法可降低88%以上的能耗與89%以上的碳排放，運(yùn)營(yíng)成本削減95%。此外，該技術(shù)展現(xiàn)出廣泛的通用性，同樣適用于秸稈、污泥及餐廚沼渣的資源化利用，為農(nóng)業(yè)廢棄物向高附加值功能碳材料的轉(zhuǎn)化提供了一條快速、低碳、經(jīng)濟(jì)的新路徑。
沼渣可持續(xù)升級(jí)轉(zhuǎn)化為石墨烯復(fù)合材料用于清潔能源催化
研究成果以“超快閃速焦耳熱實(shí)現(xiàn)沼渣升級(jí)回收制備高品質(zhì)石墨烯復(fù)合材料”（Ultrafast flash Joule heating upcycles biogas residue into high-quality graphene composite materials for clean energy catalysis）為題，于1月16日發(fā)表于《一個(gè)地球》（One Earth）。
清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院教授劉建國(guó)和助理教授鄧兵為論文通訊作者，環(huán)境學(xué)院2023級(jí)博士生徐明月為論文第一作者。論文共同作者包括探微書(shū)院2022級(jí)本科生王騰；環(huán)境學(xué)院2025級(jí)博士生任振宇、馮爾康，2023級(jí)博士生鐘家強(qiáng)，2024級(jí)碩士生畢皓，博士后徐興坤；東北大學(xué)冶金學(xué)院2021級(jí)博士生鄭瑞立；青島市生態(tài)環(huán)境局西海岸新區(qū)分局趙蕾，中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所副研究員錢(qián)國(guó)余。研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金等的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.oneear.2025.101557
供稿：環(huán)境學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
