Nature Sustainability：巧用生物质热解气制备石墨烯材料
背景介绍
生物质的高温热解制备生物油是生物质利用的一种重要方式。生物质热解后的生物油包含大量烷烃，芳烃，经过进一步转化可以作为一种清洁的燃料来使用。然而这一过程耗能较大，其工业化过程一直受成本太高所制约。
在生物质高温热解过程中，虽然大部分原料转化液体的烷烃，芳烃等，但仍有相当一部分产物以气体形式存在（~20%），其组成主要包括氢气，二氧化碳和低碳链的烷烃等。而传统的生物质高温热解工艺中，并没有将这些气体产物有效利用，造成了很大的浪费。
近日，针对这一难题，中国科学技术大学江鸿教授课题组与俞汉青教授课题组合作，巧妙利用生物质热解气进行三维石墨烯泡沫材料的制备。通过这种方法制备的石墨烯材料同时还表现出了优异的吸附和电学性能。最后，作者通过生命周期评价，对这一全新的工艺进行了详细的评估。
图文导读
首先，作者根据生物质热解和石墨烯材料的气相沉积过程工艺，自制了一套反应装置。这套装置将生物质的热解与热解气的收集和石墨烯的气相沉积相结合，可以实现石墨烯材料的高效生产。
随后，作者对所制备的石墨烯材料进行了详细的表征。如上图所示，作者分别利用纤维素（3DGF-C），木质素（3DGF-L），小麦秸秆（3DGF-W）和木屑（3DGF-）为原料进行了石墨烯材料的制备。所制备的石墨烯在泡沫镍表面沉积，沉积之后通过刻蚀移除泡沫镍得到三维的石墨烯材料。通过透射电镜和高分辨透射电镜我们可以清楚的看到，几种原料都可以很好的实现三维石墨烯材料的合成，但是所得到的石墨烯的层数略有差异。
随后，作者通过拉曼光谱，元素分析，X射线光电子能谱，以及热重-红外联用技术对所制备的材料和原料裂解气的化学性质进行了表征。拉曼光谱显示，四种不同原料制备的石墨烯材料都能明显的观察到石墨烯G带和2D带的特征峰。元素分析和X射线光电子能谱也表明所制备的材料组成结构基本一致。由于纤维素和木质素是生物质原料中两种最为重要的组成成分，作者分别对其裂解气的组成进行了测定。两种裂解气中都包含大量的甲烷，二氧化碳，水以及其它小分子有机物。而木质素裂解之后的气体中明显二氧化碳和小分子有机物的含量更多。
是否具有优异的性能是评价所制备的材料的关键。考虑到石墨烯在电子器件方面的广泛应用，作者首先对所制备的石墨烯材料进行电学性质的测定。如上图所示，以纤维素为原料制备的石墨烯其导电性为14.7 S m-1，以木质素和小麦秸秆得到的石墨烯导电性分别达到了25.2 S m−1 and 12.8 S m−1，这一优异的导电性为其今后的广泛应用奠定了基础。这种材料同时还表现了很强的吸附能力，例如对多种有机溶剂和卡马西平都有着很强的吸附能力。
最后，针对这一完全开拓性工艺，作者进行了详细的生命周期评价和经济效益评估。从经济，环境等多个角度对这一工艺将来可能带来的影响进行了展望。
总结
作者通过将生物质高温热解与石墨烯的制备相结合，巧妙的解决了生物质裂解气的高效利用问题，并制备出了性能优异的石墨烯材料。这一新型工艺不仅为碳材料的生产开拓了一种安全、经济、绿色的合成路线也进一步提高了生物质利用过程的收益。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41893-020-0538-1#Sec15
Zhang, S., Jiang, S., Huang, B. et al. Sustainable production of value-added carbon nanomaterials from biomass pyrolysis. Nat Sustain (2020). https://doi.org/10.1038/s41893-020-0538-1