中國粉體網(wǎng)訊 萊斯大學(xué)化學(xué)專家詹姆斯·圖爾（James Tours）的實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)引入可以將碳源大量轉(zhuǎn)化為有價值石墨烯薄片的新工藝。該工藝具有快速和低成本等特點(diǎn)。負(fù)責(zé)人圖爾說：“我們引入的‘快速石墨烯’工藝具有快速、低成本等優(yōu)勢，它可以將煤、食物殘?jiān)蛩芰系任镔|(zhì)快速轉(zhuǎn)化成石墨烯，其成本顯著低于其他批量生產(chǎn)石墨烯的工藝。”
通過萊斯大學(xué)開發(fā)的技術(shù)，炭黑粉末在光和熱的作用下變成石墨烯。閃蒸石墨烯可在10毫秒內(nèi)將任何碳源轉(zhuǎn)化為有價值的2D材料。©Jeff Fitlow
目前全世界很多食物殘?jiān)蛷U棄塑料被浪費(fèi)，因此如何合理開發(fā)這些廢棄資源成為綠色發(fā)展的關(guān)鍵。目前相關(guān)科研及工業(yè)實(shí)踐已經(jīng)證明，任何固體碳基物質(zhì)（包括混合廢棄塑料、橡膠輪胎）都可轉(zhuǎn)化為石墨烯。
根據(jù)《自然》雜志的報道，通過將含碳材料加熱到3000K，可在10毫秒內(nèi)快速制造出石墨烯。食物垃圾、塑料、石油焦炭、木材屑和生物炭等含碳材料都可用于石墨烯的制造。圖爾說：“目前石墨烯的商業(yè)價格為67000-200000美元/噸，由此看出我們的工藝具有很大的商業(yè)價值。”
據(jù)報道，全世界每年的水泥生產(chǎn)碳排放占人造二氧化碳的8%，在水泥中摻雜0.1%含量的快速石墨烯，便可以將其碳排放量減少三分之一。
圖爾說：“通過用石墨烯增強(qiáng)混凝土，我們可以減少建筑用混凝土的數(shù)量，從而降低制造成本和運(yùn)輸成本。 基本上，我們正在捕獲二氧化碳和甲烷等溫室氣體、廚余垃圾等碳材料，并將這些碳轉(zhuǎn)化為石墨烯添加到混凝土中，從而減少混凝土生產(chǎn)中二氧化碳排放量。”
文章的共同通訊作者，萊斯大學(xué)材料科學(xué)和納米工程學(xué)助理教授Rouzbeh Shahsavari說：“廢棄物的可再生利用是循環(huán)經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵。我們采用石墨烯作為2D模板，同時又作為控制水泥強(qiáng)化的增強(qiáng)劑。”
圖爾認(rèn)為閃蒸過程可以顯著的降低石墨烯的制造成本，同時幫助我們更好的管理廢棄物。該過程與萊斯最近宣布的“ 碳中樞”倡議非常吻合，該倡議旨在創(chuàng)造零排放的未來，該計(jì)劃將利用石油和天然氣中的碳?xì)浠衔锂a(chǎn)生氫氣和固體碳，同時減少二氧化碳的排放。圖爾說，快速石墨烯工藝可以將固體碳轉(zhuǎn)化為石墨烯，用于混凝土、瀝青、建筑物、汽車、衣服等。同時該工藝可有效的固碳，顯著降低空氣中的二氧化碳含量。
賴斯研究生和第一作者Duy Luong在Tour實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的用于散裝石墨烯的Flash Joule加熱技術(shù)，改進(jìn)了從石墨剝落和金屬箔上化學(xué)氣相沉積等技術(shù)，這些技術(shù)需要付出更多的精力和成本才能生產(chǎn)出少量的石墨烯。
令人欣喜的是，該過程會產(chǎn)生“渦輪層”石墨烯，并帶有易于分離的錯位層。圖爾說：“來自其他工藝的AB堆疊石墨烯（例如石墨的剝離）很難被拉開。這些堆疊層牢固地粘合在一起。但是，由于層間的粘合力要低得多，所以層狀石墨烯更容易加工。這很重要，因?yàn)楝F(xiàn)在我們可以使每個單原子層與主體復(fù)合物相互作用。”
一種可以將其擴(kuò)大規(guī)模以生產(chǎn)工業(yè)規(guī)模數(shù)量的方法，將廢物轉(zhuǎn)化為渦輪層狀石墨烯。
插圖 Rouzbeh Shahsavari
研究人員稱，石墨烯與塑料、金屬、膠合板、混凝土和其他建筑材料的塊狀復(fù)合材料將是閃蒸石墨烯的主要市場，他們已經(jīng)在測試石墨烯增強(qiáng)的混凝土和塑料。
閃蒸過程發(fā)生在定制設(shè)計(jì)的反應(yīng)器中，該反應(yīng)器可快速加熱物料并將所有非碳素元素排放為氣體。圖爾說：“當(dāng)該工藝工業(yè)化時，閃蒸過程中產(chǎn)生的氧氣和氮?dú)饪杀皇占倮谩！?/p>
圖爾說：“閃蒸過程幾乎不會產(chǎn)生多余的熱量，幾乎將其所有能量都轉(zhuǎn)移到目標(biāo)中。您甚至可以在幾秒鐘后用手觸碰容器。但是在閃蒸過程中，熱量集中在碳材料中，而周圍的反應(yīng)器中則沒有熱量，所有多余的能量都以閃光形式發(fā)出，因?yàn)闆]有任何溶劑，所以這也是超級清潔的過程。”
Duy Luong在啟動第一個小型設(shè)備以發(fā)現(xiàn)新相的過程中，并沒有發(fā)現(xiàn)石墨烯，首先是炭黑樣品。他說：“這始于當(dāng)我看一本有關(guān)閃速焦耳加熱以制造相變金屬納米粒子的科學(xué)論文，但是，我很快意識到該過程可生產(chǎn)高質(zhì)量的石墨烯。”
賴斯研究員、合著者Ksenia Bets進(jìn)行的原子模擬證實(shí)，溫度是材料快速形成的關(guān)鍵。她說：“我們實(shí)質(zhì)上加快了緩慢的地質(zhì)過程，使碳演化為基態(tài)，即石墨。由于熱量峰值極大地加速這一過程，讓它在石墨烯階段的瞬間停止反應(yīng)。令人驚奇的是，計(jì)算機(jī)模擬揭示了高溫調(diào)節(jié)的原子運(yùn)動和轉(zhuǎn)變的細(xì)節(jié)。”
圖爾希望在兩年內(nèi)每天生產(chǎn)1千克閃蒸石墨烯，首先是由美國能源部資助的一個項(xiàng)目，該項(xiàng)目旨在轉(zhuǎn)換美國來源的煤炭。他說：“這可以通過將煤炭廉價地轉(zhuǎn)化為價值更高的建筑材料來提供大規(guī)模的煤炭出口。”
圖爾獲得了美國能源部的資助，以擴(kuò)大閃速石墨烯工藝，該技術(shù)將由初創(chuàng)公司Universal Matter Ltd.共同資助。同時美國空軍科學(xué)研究所和美國國家科學(xué)基金會也為這項(xiàng)研究提供了支持。
相關(guān)論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-020-1938-0
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/江岸）
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