美国莱斯大学开发的“闪蒸石墨烯”技术，能将各种垃圾在一阵光和热中转变为石墨烯。在10毫秒内，任何碳源都可以转变为这种值钱的二维材料。图片来源：Jeff Fitlow/Rice University
撰文：Mike Williams
翻译：张宇哲
审校：h - = , /董子晨曦
将垃圾转化为石墨烯
莱斯大学化学家James Tou{ w : 9r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7 s r b Y c c乎可以是任何含碳物质，食物残渣、塑料垃圾、石油焦、煤、` ` j $ E 6 d 2木屑以及生物炭都是极N o | n K {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说道，只在粘合混凝土的水泥中加入0.1%的闪蒸石墨烯，就可以将其对环境造成的巨大影响降低三分之一。据报道，每年生产水泥排放的二氧化碳大约占人类排放二氧化碳总量i i @的8%。
这一可量产的过程有望迅速将任何任何含碳物质，转m h ( J [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 [ # R # 3 M =进一步降低混凝土的生产和运输能耗，”t E _ X ) V @ Z nTour补充道，“本质上N i 5讲，我们捕获的是填埋的食物残I 3 k F 3 d渣而释放的温室= r /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，y 2 W ) g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O D j o u t 8 y q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# t c M v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: * l b , + o I，石墨烯作为一种二维材T . G [ @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A @ * , - q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N m 4 6 W体碳，从而实现二氧化碳的零排放。闪蒸n u w P c a %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J V e * X 。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` N 7 2。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{ ) w 1 C *开来。”
而涡轮层石墨烯由于层间结合力非常小，很r r B L W u i T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* / c A & b 8 G B现在我们可以获得单原子层& n l e 2 Y（石墨烯）。& { r | : U”
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v D 3 V N 8 &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，| } 7 h 6 +闪蒸过程几乎不会S , 8 W j产生多余的热量，所有能量C e { }都用于) 1 E J Y = & B形成产物，“在反应结束数秒后，你就@ c = g i L / 1可以将手指放在反应容器上。”
他接着说：“相l f g f : : - H 9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@ 6 h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} / S t @ ,一过程也不需要用到其他溶液，非常清洁。”
当Luonf N A 7 0 c } #g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a * G m 6 ; e O 6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L C C f t m ( w j制造K u { T 4 ] 5相变的金属纳米颗粒。”随后，Luong很快意识到，这一过程只生成了高品质石墨烯。
美国莱斯大学科学家正利用“闪蒸石+ - i m Y . N @墨烯”技术，将垃圾转变为涡轮层石墨烯。
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e 5 a度是原材料迅速转变的关键因素。Bets表示Y ^ h Y ` # u J，“我们从根本上加速了将碳缓慢转变为基态（石墨）的` ) & j 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A V c ; d G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。”
原文链接：
https://phys6 / Z , 1 O ( o w.org/news/2020-01-lab-trash-valuable-graphene.html
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编辑：Dannis
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