莱斯大学《Nature》：垃圾瞬间变成石墨烯

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近日，美国莱斯大学研究人员在《自然》上报道，他们通过将垃圾的碳基材料转化为石墨烯的工艺，找到了在不到一秒钟的时间里就可以将此“变废为宝”的方法。这得益于一种将碳基材料转化为石墨烯的闪蒸加热工艺方法。碳基材料，指任何具有碳含量的材料，比如食物垃圾、塑料垃圾、石油焦炭、煤炭、木材屑、废橡胶轮胎和生物炭等等。目前石墨烯的商业价格为每吨67,000至200,000美元，从此就不难看出这种工艺的前景看起来非常好。

这种石墨烯的闪蒸加热制造工艺方法的关键是温度和时间。在这项研究中，科学家通过将碳基材料加热到3000K开氏温度（约为2726摄氏度），在短短10毫秒内的闪蒸过程里就可以生成石墨烯薄片，所以科学家们称之为“闪速石墨烯”（flashgraphene）。这种“闪速石墨烯”技术既快速又便宜，能够将一吨煤、食物残渣或塑料转化为石墨烯，而成本仅为其他批量石墨烯生产方法所用成本的一极小部分。

这种闪蒸加热过程几乎不会耗费多余的热量，几乎将其所有能量都转移到目标中。这比以前用来制造石墨烯的化学气相沉积炉效率高出近三倍。在闪蒸过程中，热量集中在碳材料中，而周围的反应器中则没有热量。所有多余的能量都以光，非常明亮的闪光形式散发出来，并且因为没有任何溶剂，所以这是一个超级清洁的过程。

将材料放在两个电极之间，并用短脉冲发射加热材料，同时破坏其化学键。从而使非碳元素消失，而其余碳原子转化为石墨烯。这从本质上加快了碳演化成石墨基态的缓慢的转化过程。由于热尖峰而大大加速，材料在石墨烯阶段的适当时刻停止了。

这一研究成果将对环境产生重大的积极影响，仅向混凝土中添加0.02％的闪光石墨烯可以使其强度提高35％。在保持相同水平的结构完整性的同时，可以使用更少的混凝土。据统计，水泥生产每年排放的二氧化碳量高达人造二氧化碳的百分之八。

通过用石墨烯增强混凝土，可以减少建筑用混凝土的数量，从而降低制造成本和运输成本。这项技术本质上是在捕获二氧化碳和甲烷之类的温室气体，将这些碳转化为石墨烯，并将该石墨烯添加到混凝土中，从而减少混凝土生产中产生的二氧化碳量。所以是一种双赢的极为理想的环境方案。

这一研究成果还为煤炭提供了一种新用途，无需燃烧它，利用原本可以填埋的材料，可以转化本来可以分解的生物质，可以使用今天所用的昂贵材料减少，而所有这些将减少我们的碳足迹并降低温室气体排放。

该工艺生产出的所谓“湍流型”石墨烯，其错层易于分离，与更常见的A-B堆叠石墨烯相比，它更易于分离和与材料结合。通过其他工艺（例如石墨剥落）制成的A-B堆叠石墨烯很难拉开。由于“湍流型”石墨烯层间的粘合力要低得多，所以层状石墨烯更容易加工。闪速石墨烯可能会成为未来的主要市场，该研究团队已在测试使用石墨烯增强的混凝土和塑料，希望在两年内扩大规模每天制造更多的闪速石墨烯。

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41586-020-1938-0

来源：量子认知

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