清华大学邓兵团队Chem Circularity：电热还原实现退役风机叶片升级回收及风机再制造 |…

清华大学邓兵团队Chem Circularity：电热还原实现退役风机叶片升级回收及风机再制造 |…
CellPress细胞科学 2026-11-07 13:25:35

可持续发展

Sustainability

2026年11月6日，清华大学环境学院邓兵团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Chem Circularity上发表了题为“Upcycling of waste wind turbine blades by electrothermal reduction toward circular resin composite applications”的研究论文。研究团队提出了一种基于闪速焦耳加热（Flash Joule Heating）的电热还原（Electrothermal reduction）工艺，可在数秒内将退役风机叶片快速转化为碳化硅–石墨烯复合材料，并将其作为添加剂重新用于环氧树脂复合材料，增强其力学和热学性能，实现废弃风机叶片的升级回收。

文章亮点

在数秒内将废弃风机叶片升级转化为碳化硅-石墨烯复合材料
在无溶剂、无催化剂的工艺中一步完成二氧化硅的还原与树脂石墨化
添加少量的碳化硅-石墨烯复合材料可显著提升环氧树脂的刚度、强度和热扩散率
生命周期评估显示，该工艺的碳排放量比传统化学溶解回收法低90%以上

文章简介

我国风电自‌2006年前后进入规模化发展阶段‌，按20年寿命计算，在2025年完成第一波大型风力涡轮机的退役。据估算，累计退役的涡轮机数量超过1800台，总装机容量达1.25 GW。此后，每年退役的涡轮机数量将持续增长，到2030年每年将超过34000台，总装机容量约达45 GW。风电产业的快速发展的同时也带来了环境压力，如何回收退役的风机叶片成为了新的问题。风机叶片大多由玻璃纤维和热固性树脂组成。这类复合材料质量轻、强度高、耐腐蚀，但也正因为树脂固化后形成了稳定的交联网络，叶片很难像普通塑料一样重新熔融加工。传统的填埋、机械粉碎、焚烧热解或化学回收等方法往往面临材料价值难以保留、能耗较高或需要消耗化学试剂等问题。如何让退役叶片中的不同组分重新发挥价值，成为风电产业实现绿色循环的重要课题。

从退役叶片到功能材料：构建升级回收路径

针对这一难题，清华大学环境学院邓兵课题组提出了一种基于闪速焦耳加热的电热还原策略，将退役风机叶片转化为碳化硅–石墨烯（SiC-FG）复合材料，并将其作为添加剂重新用于环氧树脂，实现复合材料的高值化利用（图1）。与传统回收方法着力于将玻璃纤维与树脂分离不同，本研究不再将两者视为必须分开的组分，而是利用它们各自的元素共同构建新的功能材料。

图1退役风机叶片的电热升级回收路径示意图

快速电热转化：几秒内制备碳化硅-石墨烯复合材料

以某风场的真实退役风机叶片为原料，图2展示了这批退役风机叶片的元素组成、转化过程和产物结构。元素分析显示，钙和硅的含量较高，此外还有少量铝，铁，钛等金属元素。将退役风机叶片粉碎并与导电炭黑混合后，通过短时电流脉冲使原料在约0.5秒内升至约2,000 ℃。在这一过程中，玻璃纤维中的二氧化硅参与碳热还原反应，形成碳化硅；树脂中的碳质组分则发生石墨化，形成石墨烯。

图2 反应物表征、反应过程和产物表征

增强树脂性能：少量添加即可增强环氧树脂的抗拉伸、抗弯曲和散热性能

研究人员制备了不同添加量的环氧树脂样品，并通过拉伸和三点弯曲实验评价其力学性能（图3）。结果发现，当SiC–FG添加量为0.3 wt%时，树脂的综合力学性能表现最佳。与未添加添加剂的树脂相比，其抗拉伸、抗弯曲性能均有不同幅度的提升。

图3 碳化硅-石墨烯增强环氧树脂的力学性能

研究人员同样制备了不同添加量的环氧树脂样品，利用局部激光照射和红外摄像机观察不同样品的温度变化，并测量了不同树脂样品热扩散率。结果表明，添加0.1 wt%碳化硅-石墨烯的样品表现出最佳热扩散性能，其热扩散率比纯环氧树脂提高约41%。在周期性加热和冷却测试中，该样品的温度波动也最小，表现出较好的热响应能力。

图4 碳化硅-石墨烯增强环氧树脂的散热性能

规模放大、生命周期评价与技术经济分析

研究人员结合理论分析、数值模拟与实验验证，将单批处理量从0.3克扩大至10克，论证了初步放大反应规模的可行性。以处理1吨退役风机叶片为目标，研究人员对本文工艺以及传统热解回收、化学溶解路线做了生命周期评价和技术经济分析。生命周期评估显示本文工艺的环境影响低于传统热解、化学溶解，其中温室气体排放较热解回收和化学溶解路线分别降低约83%和92%。初步技术经济分析表明，本文工艺是三条路线中有望带来净收益的路线。

图5 规模放大、生命周期评价与技术经济分析

本研究提出了一种基于闪速焦耳热的电热升级回收工艺，无需分离退役风机叶片中的玻璃纤维和树脂，即可在数秒内将其协同转化为碳化硅–石墨烯复合材料。所得产物可直接作为添加剂用于环氧树脂，改增强其力学性能和热扩散性能。环境与经济分析显示，该方法具有降低排放和创造经济价值的潜力，为退役风机叶片及其他复杂复合废弃物的循环利用提供了新思路。

作者专访

Cell Press细胞出版社特别邀请研究团队进行了专访，为大家进一步详细解读。

CellPress：

随着风电产业的快速发展，如何处理日益增加的退役风机叶片已成为一个重要问题。与已有的回收方法相比，您认为本文提出的电热升级回收策略在推动退役风机叶片循环利用方面，最重要的贡献是什么？

研究团队：

本研究对退役风机叶片回收最重要的贡献在于使用了一种协同转化整体利用的思路，为退役风机叶片提供了一条从复合废弃物到复合添加剂的循环利用路径。风机叶片中的玻璃纤维和树脂结合紧密，本研究无需消耗的试剂和能源分离二者，而是利用它们各自的组成：玻璃纤维中的含硅组分参与形成碳化硅，树脂中的含碳组分参与形成石墨烯，通过一次电热处理实现协同转化，后续又将产物作为环氧树脂添加剂进行整体利用。未来通过进一步放大和应用验证，这一策略有望为退役叶片的高值化循环利用提供新的选择。

CellPress：

研究过程中遇到了哪些困难？团队是如何克服并顺利解决的？或是有任何有趣的故事可以与读者分享？

研究团队：

采用退役风机叶片作为原料得到石墨烯-碳化硅复合材料之后，我们一开始想实现两者的分离，得到单独的石墨烯和碳化硅材料，从而实现其各自的应用。我们探索了很多种方法，发现比较难以实现分离得到商业纯度的石墨烯或者碳化硅。后来我们想，完全可以探索不用分离，直接利用石墨烯-碳化硅复合材料的应用场景。我们将这种复合材料直接应用于风电树脂制造，发现可以显著提升树脂的机械强度和热学性能，从而实现功能化应用。

CellPress：

团队下一步的研究计划是怎样的？

研究团队：

下一步研究计划分为两个方向：一是探索碳化硅–石墨烯复合产物的其他应用路径。我们已经证明，通过调整反应物比例和反应条件，可以调控产物中碳化硅和石墨烯的比例。未来，我们希望探索不同碳化硅和石墨烯比例的复合产物的应用方向，如此便可以使用同一套反应设备，根据不同需求调控工艺条件来获得不同应用方向的产物。二是对于规模放大的探索。目前反应规模停留在每批次10克反应物，我们希望继续扩大反应规模到每批次百克、千克的级别，将反应推进到中试规模，有利于后续工业级别的应用。

CellPress：

最后，是否可以与我们分享一下选择Chem Circularity来发表这个工作的原因？

研究团队：

我们之所以选择将这项工作投稿至Chem Circularity，主要是因为期刊的办刊理念与我们的研究目标契合。Chem Circularity关注可持续和循环体系的发展，鼓励从材料设计、废弃物回收和升级利用等角度探索循环解决方案。我们的研究以退役风机叶片为对象，将其中的不同组分协同转化为功能材料，并探索其在树脂复合材料中的再利用，同时结合环境与经济分析，评估这一技术的应用潜力。我们希望通过Chem Circularity平台，与不同领域的研究者分享这一思路，共同推动复杂复合废弃物的循环利用。

作者介绍

毕皓

硕士研究生

毕皓（论文第一作者），清华大学环境学院2024级在读硕士生，研究新能源产业资源回收利用方向。

邓兵

研究员

邓兵（论文通讯作者），清华大学环境学院特别研究员、博士生导师、课题组长。研究成果共发表论文80余篇，其中40余篇以第一/通讯作者发表于Nature Sustain., Nature Chem. Eng., Nature Rev. Clean Technol., Nature Commun., Science Adv., One Earth等期刊，申请或获授权专利40余项，担任Chem Engineering和Discover Sustain.等十余个期刊的编委。主要研究方向为开发新型低碳电气化技术用于资源循环利用、战略关键金属提取以及清洁能源催化材料制备。

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