从垃圾到昂贵的石墨烯,可能只需要几毫秒

source:石墨盟 author: 2020-04-01

   

将垃圾转化为石墨烯


莱斯大学化学家James Tour的研究团队研发的一种新方法:能够将一切碳源材料转变为昂贵的石墨烯薄片。此外,这种方法既迅速又便宜。Tour表示,相较于其他石墨烯的生产方式,“闪蒸石墨烯”技术仅需耗费一小部分能源,就可以将一吨煤、食物残渣和塑料转变为石墨烯。


“这项技术十分重要,”Tour认为,“全球每年因腐败而扔掉的食物多达30%到40%。此外,解决大量的塑料垃圾也是一大难题。我们已经证实,任何固态碳基材料,包括混合塑料垃圾和橡胶轮胎在内,都可以转变为石墨烯。”


正如他们发在《自然》中上的研究,将含碳材料在10毫秒内加热到3000开尔文(约5000华氏度)能制备闪蒸石墨烯。原材料几乎可以是任何含碳物质,食物残渣、塑料垃圾、石油焦、煤、木屑以及生物炭都是极好的原材料。Tour还表示,“目前,石墨烯的市场价为每吨67,000到200,000美元,因此,该一技术的前景十分广阔。”


Tour

一可量产的过程有望迅速将任何任何含碳物质,转变为大量的石墨烯。图中自左至右,依次是本科实习生Christina Crassas,化学家James Tour,研究生Weiyin Chen 和 Duy Luong。


“利用石墨烯强化混凝土,可以减少建筑中的混凝土用量,并进一步降低混凝土的生产和运输能耗,”Tour补充道,“本质上讲,我们捕获的是填埋的食物残渣而释放的温室气体,包括二氧化碳和甲烷等。我们将那些碳转变为石墨烯并添加进混凝土中,从而降低生产的混凝土造成排放的二氧化碳量。因此使用这种技术生产石墨烯,是一个双赢的环境方案。”


论文的联合作者、莱斯大学土木与环境工程、材料科学和纳米工程副教授Rouzbeh Shahsavari表示,“变废为宝是循环经济的关键。在Tour等研发的技术中,石墨烯作为一种二维材料和强化剂,能调控水泥的水合作用和强度。”他同时也是C-Crete技术公司的总裁。


Tour继续说道,在过去,“石墨烯因价格昂贵,无法实现上述应用。闪蒸过程不仅帮助我们改善垃圾处理,同时还大幅降低生产成本。利用这一方法能将碳固定,防止这些碳再次进入大气。


这一加工技术与莱斯大学最近宣布的“创造零排放未来”的倡议非常吻合,该倡议呼吁重新利用油气中的碳氢化合物生产氢气和固体碳,从而实现二氧化碳的零排放。闪蒸石墨烯过程能够将固体碳转变为石墨烯,并用于制造混凝土、沥青、建筑、汽车和服装等行业。”

新方法的发现


在Tour的实验室,文章第一作者、莱斯大学研究生Duy Luong研发出这种方法,改进了以往的石墨烯的制备技术。这些技术包括,从石墨上剥离以及在金属箔上进行化学气相沉积的方法,来获得石墨烯,需要的经济及劳动成本都更高。


这一方法的一个优势是,制造出的“涡轮层”石墨烯在层与层之间的堆叠并非十分紧密,易于分离Tour解释称,“诸如从石墨中剥离石墨烯这类生产方法,得到的都是AB堆垛双层石墨烯,因为层与层之间牢牢吸引,很难分离开来。”


而涡轮层石墨烯由于层间结合力非常小,很容易分离开来。这种石墨烯,在溶液或复合材料混合物中,就被分离。Tour表示,“这一点非常重要,因为现在我们可以获得单原子层(石墨烯)。”


该实验室注意到,咖啡渣能够被转变为纯净的单层石墨烯。在测试了石墨烯增强的混凝土和塑料后,研究人员表示闪蒸石墨烯将可以和塑料、金属、胶合板、混凝土或其他建筑材料形成复合材料。


这一闪蒸过程在一种特制反应容器中发生,在这里,原材料被迅速加热并将非碳元素以气体形式排出。Tour说:“当把这一过程产业化时,包括氧气和氮气在内的小分子排放物都将被收集起来,因为它们也有价值。”Tour表示,闪蒸过程几乎不会产生多余的热量,所有能量都用于形成产物,“在反应结束数秒后,你就可以将手指放在反应容器上。”


他接着说:“相较于之前生产石墨烯用的化学气相沉积炉,闪蒸的温度几乎提高了3倍;但在闪蒸过程中,所有热量都被储存在含碳材料上,周围的反应容器没有吸收任何能量。多余的能量会以一道非常强的闪光释放出去。另外,这一过程也不需要用到其他溶液,非常清洁。”


当Luong首次启动小型设备,试图发现炭黑样本的新状态时,但没有预料到会发现石墨烯。他表示,“我从《科学》上的一篇论文中了解到利用焦耳热闪蒸技术,能够制造相变的金属纳米颗粒。”随后,Luong很快意识

通过原子水平模拟,莱斯大学的研究人员、论文的联合者Ksenia Bets确定,温度是原材料迅速转变的关键因素。Bets表示,“我们从根本上加速了将碳缓慢转变为基态(石墨)的地质作用。我们通过极高温度加速了反应过程,并形成正确的石墨烯状态时停止。”


Bets说,“令人惊讶的是,前沿计算机模拟技术能显著减慢这一反应的动力学过程,揭示了高温调节原子运动和转变的细节。”最近由于美国能源部资助的煤炭转变项目的支持,Tour希望在未来两年内每天生产1千克的闪蒸石墨烯。他补充道,“这或能为大量的煤炭提供一种出路,将它们廉价地转变为更高质量的建筑材料。”


到,这一过程只生成了高品质石墨烯。






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