新技术使垃圾化身石墨烯

最近，美国莱斯大学的研究人员在《自然》杂志上报道说，他们可以将食物残渣中的任何含碳固体转化为石墨烯。如今，从高强度塑料到柔性电子产品，石墨烯材料被广泛应用。现有技术只能生产非常少量的“完美”石墨烯，但在实验室里，这种新方法已经可以每天生产几克近乎原始的石墨烯，研究人员现在正在将其生产能力扩大到每天几公斤。

"这项工作在科学和实践方面都是开创性的。"达拉斯德克萨斯大学的化学家雷·包曼说。研究人员成立了一家名为“宇宙物质”的新公司，将废物转化为石墨烯的过程商业化。

石墨烯的碳原子薄片像六边形细金属丝网一样排列。它的强度比钢高，导电性和导热性比铜好。它可以用作不透水的屏障，防止金属生锈。然而，自2004年发现以来，高质量石墨烯的工业规模制造和纯化，无论是单层还是多层，都非常昂贵。这对于制造诸如发光二极管之类的小型器件来说不是问题，但是对于大规模应用来说成本太高。然而，高产量的生产方法，例如从大的矿物石墨中剥离石墨烯，将生产多达50层的石墨烯片，这对于大多数应用来说并不理想。

2014年，莱斯大学化学家詹姆斯·图尔(James Tour)和他的同事发现，一种叫做碳黑的无定形碳可以被激光破坏，产生只有几层厚的纯石墨烯。一个短脉冲将碳加热到3000开尔文以上，破坏碳原子之间的键。当碳冷却时，它聚合形成石墨烯，这是最稳定的结构。然而，通过这种方法制备的石墨烯仍然很少，并且需要大量的能量。

两年前，图伊的研究生罗恩·宣·杜伊(Luong Xuan Duy)注意到，其他研究人员在制造金属纳米粒子的同时，也在冲击一种材料，同时产生同样短暂的热冲击波。

"我想知道它是否可以用来加热碳源和生产石墨烯."杜伊说。

他将一小块碳黑放入透明玻璃瓶中，用400伏特的电压轰击大约200毫秒。起初，他得到了无用的东西，但经过一点调整，他成功地得到了一个明亮的黄白色闪光，这表明瓶子里的温度达到了大约3000开尔文。化学测试表明他已经制备了石墨烯。

这是一种可以大量使用的理想石墨烯。当碳原子凝聚形成石墨烯时，它们不像在石墨中那样规则地聚集，而是获得涡轮状堆叠的石墨烯材料——石墨烯层以不同的角度彼此交错。“这是一件好事。”杜伊说。当在水或其他溶剂中时，以涡轮状态堆叠的每层石墨烯可以与添加的任何复合材料相互作用。

"这将使它成为一个很好的应用材料."埃克塞特大学的材料物理学家莫尼卡·克拉里昂说。2018年，她和她的同事报告称，在混凝土中添加石墨烯使前者的抗压强度增加了一倍多。旅行团看到了几乎相同的结果。当他们向混凝土中加入0.05%重量的石墨烯时，混凝土的抗压强度增加了25%。石墨烯被添加到聚二甲基硅氧烷(一种普通塑料)中，其强度提高了250%。

值得一提的是，这种石墨烯的原材料既便宜又丰富。几乎所有的有机物质，包括咖啡渣、食物残渣、旧轮胎和塑料瓶，都可以用来制造这种材料。“我们正在把垃圾变成石墨烯。”杜伊说。

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41586-020-1938-0