将从垃圾转化为石墨烯，只需几毫秒

莱斯大学化学家詹姆斯·图尔的研究小组开发了一种新方法，可以将所有碳源材料转化为昂贵的石墨烯片。此外，这种方法既快速又便宜。

美国莱斯大学开发的“闪光石墨烯”技术可以在瞬间将各种废物转化成石墨烯。在10毫秒内，任何碳源都可以转化成这种有价值的二维材料。资料来源:杰夫·菲特洛/莱斯大学

作者:迈克·威廉姆斯

翻译:张

校订:董、等

将垃圾转化成石墨烯

莱斯大学化学家詹姆斯·图尔的研究小组开发了一种新方法，可以将所有碳源材料转化为昂贵的石墨烯片。此外，这种方法既快速又便宜。图尔说，与其他石墨烯生产方法相比，“闪存石墨烯”技术可以将一吨煤、食物残渣和塑料转化为石墨烯，只需要少量的能量。

“这项技术非常重要，”图尔说。“由于腐败，世界每年扔掉多达30%至40%的食物。此外，解决大量塑料垃圾也是一个大问题。我们已经证实，任何固体碳基材料，包括混合塑料废料和橡胶轮胎，都可以转化成石墨烯。”

他们的研究发表在《自然》杂志上，闪光石墨烯可以通过在10毫秒内将碳质材料加热到3000开尔文(约5000华氏度)来制备。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、木屑和生物炭都是很好的原料。图尔还表示，“目前，石墨烯的市场价格为每吨67000至200000美元，因此这项技术的前景非常广阔。”

图尔说，仅在水泥中添加0.1%的闪光石墨烯就可以将它对环境的巨大影响减少三分之一。据报道，水泥生产排放的二氧化碳约占人类每年排放的二氧化碳总量的8%。

这种大规模生产过程有望将任何含碳物质快速转化为大量石墨烯。从左到右依次是本科生实习生克里斯蒂娜·克拉斯、化学家詹姆斯·图尔、研究生陈伟银和杜洛昂。

图尔补充道:“使用石墨烯加固混凝土可以减少建筑中使用的混凝土量，并进一步降低混凝土生产和运输的能耗。”。“本质上，我们捕捉垃圾填埋食物残渣释放的温室气体，包括二氧化碳和甲烷。我们将碳转化成石墨烯，并将其添加到混凝土中，从而减少混凝土产生的二氧化碳排放量。因此，使用这项技术生产石墨烯是一个双赢的环境计划。”

该论文的合著者、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说，“变废为宝是循环经济的关键。在图尔等人开发的技术中，石墨烯作为二维材料和增强剂，可以调节水泥的水化和强度。”他也是克利特科技公司的总裁。

图尔接着说，在过去，“石墨烯因为价格高而无法使用。闪蒸工艺不仅有助于我们改善废物处理，而且大大降低了生产成本。使用这种方法，碳可以被固定以防止碳再次进入大气。

这种加工技术与莱斯大学最近宣布的“创造零排放的未来”倡议非常一致，该倡议呼吁重新利用石油和天然气中的碳氢化合物来生产氢气和固体碳，从而实现二氧化碳的零排放。石墨烯的快速蒸发可以将固体碳转化为石墨烯，并可用于混凝土、沥青、建筑、汽车和服装等行业。"

新方法的发现

在图尔的实验室里，这篇文章的第一作者、莱斯大学的研究生杜荣开发了这种方法，改进了以前的石墨烯制备技术。这些技术包括从石墨上剥离和在金属箔上化学气相沉积以获得石墨烯，这需要更高的经济和劳动力成本。

这种方法的一个优点是产生的“涡轮层”石墨烯在层与层之间不是非常紧密地堆叠，并且容易分离。图尔解释道，“生产方法，如从石墨中剥离石墨烯，都会导致双层石墨烯的AB堆积，因为这些层被牢牢吸引，难以分离。”

然而，涡轮石墨烯由于其非常小的层间结合力而易于分离。石墨烯在溶液或复合材料混合物中分离。图尔说，“这非常重要，因为现在我们可以获得单原子层(石墨烯)。”

实验室注意到咖啡渣可以转化成纯石墨烯单层。在测试了石墨烯增强的混凝土和塑料后，研究人员表示，闪光石墨烯可以与塑料、金属、胶合板、混凝土或其他建筑材料形成复合材料。

这种闪蒸过程发生在一个特殊的反应容器中，在那里原料被快速加热，非碳元素作为气体排出。图尔说:“当这个过程被工业化时，包括氧气和氮气在内的小分子排放物将被收集起来，因为它们也是有价值的。”杜尔说，闪蒸过程几乎不产生多余的热量，所有的能量都用来形成产品。"反应几秒钟后，你可以把手指放在反应容器上."

他接着说:“与以前用来生产石墨烯的化学气相沉积炉相比，闪蒸温度几乎高出三倍；然而，在闪蒸过程中，所有热量都储存在碳质材料上，周围的反应容器不吸收任何能量。多余的能量会在一个非常强烈的闪光中释放出来。此外，该过程不需要其他解决方案，非常干净。”

当罗昂第一次启动一个小装置试图寻找新状态的碳黑样品时，他没有想到会发现石墨烯。他说，“我从《科学》杂志的一篇论文中了解到，使用焦耳热快速蒸发技术可以产生相变金属纳米粒子。”后来，罗昂很快意识到只有高质量的石墨烯是在这个过程中产生的。

美国莱斯大学的科学家正在使用“闪光石墨烯”技术将垃圾转化为涡轮层石墨烯。

通过原子级模拟，莱斯大学研究员和论文合著者克塞尼亚·贝茨(Ksenia Bets)确定温度是原材料快速转化的关键因素。贝茨说，“我们已经从根本上加速了碳慢慢转化为基态(石墨)的地质过程。我们通过极高的温度加速了反应过程，并在形成正确的石墨烯状态时停止了反应。”

贝茨说，“令人惊讶的是，尖端的计算机模拟技术可以显著减缓这一反应的动力学过程，揭示原子运动和转化的高温调节细节。”最近，在美国能源部资助的一个煤转化项目的支持下，图尔希望在接下来的两年里每天生产1千克的闪光石墨烯。他补充道，“这可能为大量煤炭廉价转化为高质量建筑材料提供了一条出路。”

原始链接:

https://phys . org/news/2020-0lab-trash-value-graphene . html

原标题:变废为宝！从垃圾到石墨烯只需要几毫秒。