纺织业每年产生约6500万至9200万吨废弃物，却只有约1%进入回收，近75%被填埋或焚烧。现行化学回收通常要求单一纤维，还需依赖化学品、溶剂与催化剂，后续分离易造成二次污染；而真实废纺多为聚酯与棉的混纺，并夹杂染料与整理剂，实验室研究与产业落地之间存在巨大断层。
闪蒸焦耳热能把电能直接转化为焦耳热，能量效率超过98%，但既往处理混合废塑料时各组分沿独立路径反应，往往需要超过3000K的极端温度，能耗高、碳产率受限。
香港理工大学张汉超、范金土联合中国科学院南京土壤研究所王玉军团队提出“前碳化+闪蒸焦耳热”两步策略，把聚酯/棉混纺废布直接升级为有序多层纳米洋葱状富勒烯。聚酯/棉质量比80/20的样品在2000℃下5秒内完成转化，碳固定效率达41.6%，石墨化质量指标I2D/IG提升至1.47。成果发表于ACS Nano。
两步FJH：从混纺废布到高质量石墨碳
研究以聚酯与棉为模型纤维——两者合计占纤维市场七成以上。流程上，废布先经280℃、N₂气氛预碳化30分钟，再粉碎装填石墨管，在FJH装置中以约500℃/s的速率升温至800-2000℃并快速冷却，整个FJH阶段在5秒内完成。
作者把单纤维与不同配比P/C的产碳行为并列比较：棉的残余质量随温度升高而下降（201.1 mg/800℃→121.2 mg/2000℃），聚酯反而升高（69.8 mg/800℃→107.7 mg/2000℃），说明聚酯先在800-1000℃气化，其挥发物再在1500℃以上气相重整为固体碳。混纺体系表现出正的协同：P/C 80/20在1500℃与2000℃分别得到120.8 mg与130.1 mg，而未经前碳化的混纺样品始终没有随温度增长的增碳效应。
结构质量由XRD与Raman给出。P/C 80/20在两步FJH后于25.8°呈现最强衍射峰，对应石墨(002)晶面；Raman中其2D峰强于纯聚酯与纯棉，ID/IG降至0.63（1500℃）与0.41（2000℃），I2D/IG升至0.78（1500℃）与1.47（2000℃），落在“高质量石墨烯”对应的左上区域。据此计算的碳固定效率在2000℃达到41.6%，高于纯聚酯的33.2%与纯棉的35.4%。元素分析显示，2000℃后P/C 80/20的碳含量升至96.9%、氧含量降至3.1%，脱氧程度优于纯棉（79.4% C）。
结构证据：五元环与六元环耦合的洋葱碳
形貌与结构表征揭示了产物为何是“洋葱”。SEM显示，纯聚酯衍生碳由堆叠纳米片构成的不规则颗粒组成，纯棉衍生碳保留了纤维形貌、表面几乎没有纳米片或纳米颗粒；而P/C（50/50、65/35、80/20）混纺体系几乎全部转化为形貌规整的碳纳米球。TEM表明这些纳米球尺寸集中在100-200 nm，内部由同心石墨壳层自组装成洋葱状结构，高分辨像测得层间距0.3403 nm，与已报道的碳纳米洋葱一致。
HAADF-STEM在原子尺度给出更关键的差别：纯聚酯衍生碳几乎只由六元碳环构成，形成典型石墨烯畴；纯棉衍生碳以五元环为主、长程有序受限；而P/C 80/20呈现五元环与六元环的耦合排布，这正是富勒烯结构的关键特征之一。若跳过前碳化，混纺产物中五元环显著减少、形貌退化为与纯聚酯相似，说明前碳化产生的中间体对随后FJH中富勒烯核的形成不可或缺。
机制一：前碳化构筑“支架效应”
前碳化到底做了什么？BET给出线索：棉、聚酯与P/C 80/20前碳化后的比表面积分别为1.62、0.34与0.39 m²·g⁻¹，P/C 80/20以1-5 nm微孔为主。混纺比表面积低于纯棉，说明熔融聚酯渗入棉纤维孔道并包覆其表面，这种物理限域抑制了挥发性有机物逸出，从而提高碳产率。
化学层面的证据来自XPS与XANES。聚酯的O 1s谱中C-O/C=O约为1:1，两者均来自酯基；理论上随棉含量升高该比值应大于1，但P/C 80/20反而小于1，说明存在化学而非单纯物理混合——棉的羟基（Lewis碱位）与聚酯的酯基（Lewis酸位）发生酯交换/醇解，生成cellulose-O-CO-polyester中间键。XRD中，棉含量由20%升至50%时亚甲基衍射峰从22.8°移至22.6°、酯基峰（26.1°）强度显著下降，反映聚酯链间距扩张与链断裂。C K边XANES中，随棉含量升高，C 1s→π(C=C)峰出现劈裂并在285.3 eV出现新峰，表明苯环共轭π体系被破坏；纯PET与PET/CNC 50/50的π(C=O)峰从288.8 eV正移至290.0 eV，指向酯基向羧基转化。综合来看，前碳化同时扮演“物理支架”与“化学键合”双重角色。
机制二：碳原子演化路径与富勒烯成核
碳原子究竟经由什么路径成核？气体与VOC分析给出脉络。低温（800-1000℃）时聚酯主要释放CH₄、CO₂与CO；升至1500-2000℃后CH₄、CO₂骤降，CO与H₂占比超过90%。混纺体系在2000℃时CH₄与CO₂相对含量降到2%，而未前碳化样品仍维持在10%。VOC方面，聚酯在800-1500℃以1,5-己二炔为主（约60%），2000℃时其被完全消耗，苯（约10%）、苯乙烯（18.2%）与苯乙炔（约13.3%）成为主导；在P/C 80/20中，1,5-己二炔在1500℃就已完全分解，而未前碳化样品即使到2000℃仍残留约50%，且Raman 2D峰依旧很弱——对应“棉衍生反应性中间体加速己二炔分解与转化”的判断。
MALDI-MSI在甲苯萃取液中检出C76、C86、C88、C90、C92等富勒烯核（m/z 912.76、1032.86、1055.88等），HAADF-STEM则直接观察到尺寸约1-2 nm的球形与棒状富勒烯核。据此作者提出：前碳化阶段的酯交换/醇解生成化学键位点，这些位点在FJH中成为富勒烯核的“种子”，引导多层石墨壳层三维有序自组装为NOLFs。
模拟溯源：五元环来自棉，六元环来自聚酯
ReaxFF-MD从原子层面复核了上述机制。模拟统计超快升温过程中各类环的数量：纯棉只生成1个六元环与10个五元环；纯聚酯生成29个六元环、6个五元环与7个五元/六元耦合环；而P/C 80/20表现为六元环增至39、耦合五元/六元环增至12、五元环降为4。
溯源分析进一步指出，耦合环中五元环的碳、氧原子来自棉纤维，六元环的碳原子则完全来自聚酯纤维，即棉提供富勒烯核的成核位点、聚酯提供石墨化骨架。作者由此强调：棉不仅“锁定”碳，还通过抑制VOC排放，让混纺体系在相对更低的温度下获得比单纤维更高的石墨化程度。
中试放大、终端性能与生命周期评估
技术可行性通过中试装置与终端应用验证。作者搭建成套自动化FJH系统，由送料盘、石墨管、滑轨、机械臂与热解腔组成；机械臂经滑轨把石墨管送入腔体，单次循环约产0.3 g NOLFs，循环周期150秒，单台仪器可实现86.4 g/天的连续产率，并可通过多台并行扩产。
应用端，P/C 80/20来源的NOLFs作锂离子电池正极，在0.1C下给出350 mAh·g⁻¹比容量，高于多数商业石墨烯基准（300 mAh·g⁻¹）；在10C高倍率下仍保持125 mAh·g⁻¹，是同条件下商业石墨烯（25 mAh·g⁻¹）的5倍，并在1000次循环中维持约99%库仑效率。作为固体润滑剂（4 wt%添加），它把纯水的摩擦系数从0.44降到0.07，明显优于纯棉（0.24）、纯聚酯（0.15）与商业石墨烯（0.14）。机制普适性方面，聚酰胺/棉80/20的碳产率比纯聚酰胺提高约8倍，I2D/IG从0.11升至0.66（1500℃）；向日葵秸秆、咖啡渣、柏树枝等生物质，以及经多次洗涤的废旧衣物同样适用。
生命周期评估显示，路线S1（混纺废布制1 kg石墨烯）在多数环境影响类别上优于化学路线S4，全球变暖潜势为-24.96 kg CO₂ eq（S2为+26.74、S3为-0.31），电力消耗19.06 kWh，明显低于S3的56.5 kWh。
这项研究值得关注的3个地方
① 方法价值：混合纺织废弃物不必先分离成单一组分，也能被直接升级为高附加值碳材料。280℃前碳化引入酯交换/醇解形成的化学键合，再配合5秒、2000℃的闪蒸焦耳热，P/C 80/20混纺获得I2D/IG=1.47的石墨化质量与41.6%的碳固定效率。
② 科学价值：把“为什么是洋葱结构”落实到五元/六元环的原子级溯源上——棉提供富勒烯核的成核位点、聚酯提供石墨化骨架——为焦耳热定向合成有序碳材料提供了可迁移的机制框架。
③ 应用价值：中试装置实现86.4 g/天的连续产率；NOLFs作锂电正极在10C下保持125 mAh·g⁻¹、作润滑剂把水摩擦系数从0.44降至0.07。但需要明确的是，中试产率与LCA均基于当前实验条件，规模化放大过程中的热场均匀性、批次一致性与长期运行稳定性仍需进一步验证。
论文信息：
Qiang Yang, Peixin Cui, Shuailei Pu, Yongguang Bu, Xiangdong Zhu, Bing Deng, Yujun Wang, Jintu Fan, Hanchao Zhang. Upgrading Mixed Textile Waste to Nano Onion-Like Fullerenes by the Two-Step Flash Joule Heating. ACS Nano, 2026.
DOI： 10.1021/acsnano.6c11507
通讯作者： 张汉超、范金土（香港理工大学）；王玉军（中国科学院南京土壤研究所）
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