美國萊斯大學開發的“閃蒸石墨烯”技術，能將各種垃圾在一陣光和熱中轉變爲石墨烯。在10毫秒內，任何碳源都可以轉變爲這種值錢的二維材料。圖片來源：Jeff Fitlow/Rice University

撰文：Mike Williams

翻譯：張宇哲

審校：董子晨曦

將垃圾轉化爲石墨烯

萊斯大學化學家James Tour的研究團隊研發的一種新方法：能夠將一切碳源材料轉變爲昂貴的石墨烯薄片。此外，這種方法既迅速又便宜。Tour表示，相較於其他石墨烯的生產方式，“閃蒸石墨烯”技術僅需耗費一小部分能源，就可以將一噸煤、食物殘渣和塑料轉變爲石墨烯。

“這項技術十分重要，”Tour認爲，“全球每年因腐敗而扔掉的食物多達30%到40%。此外，解決大量的塑料垃圾也是一大難題。我們已經證實，任何固態碳基材料，包括混合塑料垃圾和橡膠輪胎在內，都可以轉變爲石墨烯。”

正如他們發在《自然》中上的研究，將含碳材料在10毫秒內加熱到3000開爾文（約5000華氏度）能製備閃蒸石墨烯。原材料幾乎可以是任何含碳物質，食物殘渣、塑料垃圾、石油焦、煤、木屑以及生物炭都是極好的原材料。Tour還表示，“目前，石墨烯的市場價爲每噸67,000到200,000美元，因此，該一技術的前景十分廣闊。”

Tour說道，只在粘合混凝土的水泥中加入0.1%的閃蒸石墨烯，就可以將其對環境造成的巨大影響降低三分之一。據報道，每年生產水泥排放的二氧化碳大約佔人類排放二氧化碳總量的8%。

這一可量產的過程有望迅速將任何任何含碳物質，轉變爲大量的石墨烯。圖中自左至右，依次是本科實習生Christina Crassas，化學家James Tour，研究生Weiyin Chen 和 Duy Luong。

“利用石墨烯強化混凝土，可以減少建築中的混凝土用量，並進一步降低混凝土的生產和運輸能耗，”Tour補充道，“本質上講，我們捕獲的是填埋的食物殘渣而釋放的溫室氣體，包括二氧化碳和甲烷等。我們將那些碳轉變爲石墨烯並添加進混凝土中，從而降低生產的混凝土造成排放的二氧化碳量。因此使用這種技術生產石墨烯，是一個雙贏的環境方案。”

論文的聯合作者、萊斯大學土木與環境工程、材料科學和納米工程副教授Rouzbeh Shahsavari表示，“變廢爲寶是循環經濟的關鍵。在Tour等研發的技術中，石墨烯作爲一種二維材料和強化劑，能調控水泥的水合作用和強度。”他同時也是C-Crete技術公司的總裁。

Tour繼續說道，在過去，“石墨烯因價格昂貴，無法實現上述應用。閃蒸過程不僅幫助我們改善垃圾處理，同時還大幅降低生產成本。利用這一方法能將碳固定，防止這些碳再次進入大氣。

這一加工技術與萊斯大學最近宣佈的“創造零排放未來”的倡議非常吻合，該倡議呼籲重新利用油氣中的碳氫化合物生產氫氣和固體碳，從而實現二氧化碳的零排放。閃蒸石墨烯過程能夠將固體碳轉變爲石墨烯，並用於製造混凝土、瀝青、建築、汽車和服裝等行業。”

新方法的發現

在Tour的實驗室，文章第一作者、萊斯大學研究生Duy Luong研發出這種方法，改進了以往的石墨烯的製備技術。這些技術包括，從石墨上剝離以及在金屬箔上進行化學氣相沉積的方法，來獲得石墨烯，需要的經濟及勞動成本都更高。

這一方法的一個優勢是，製造出的“渦輪層”石墨烯在層與層之間的堆疊並非十分緊密，易於分離。Tour解釋稱，“諸如從石墨中剝離石墨烯這類生產方法，得到的都是AB堆垛雙層石墨烯，因爲層與層之間牢牢吸引，很難分離開來。”

而渦輪層石墨烯由於層間結合力非常小，很容易分離開來。這種石墨烯，在溶液或複合材料混合物中，就被分離。Tour表示，“這一點非常重要，因爲現在我們可以獲得單原子層（石墨烯）。”

該實驗室注意到，咖啡渣能夠被轉變爲純淨的單層石墨烯。在測試了石墨烯增強的混凝土和塑料後，研究人員表示閃蒸石墨烯將可以和塑料、金屬、膠合板、混凝土或其他建築材料形成複合材料。

這一閃蒸過程在一種特製反應容器中發生，在這裏，原材料被迅速加熱並將非碳元素以氣體形式排出。Tour說：“當把這一過程產業化時，包括氧氣和氮氣在內的小分子排放物都將被收集起來，因爲它們也有價值。”Tour表示，閃蒸過程幾乎不會產生多餘的熱量，所有能量都用於形成產物，“在反應結束數秒後，你就可以將手指放在反應容器上。”

他接着說：“相較於之前生產石墨烯用的化學氣相沉積爐，閃蒸的溫度幾乎提高了3倍；但在閃蒸過程中，所有熱量都被儲存在含碳材料上，周圍的反應容器沒有吸收任何能量。多餘的能量會以一道非常強的閃光釋放出去。另外，這一過程也不需要用到其他溶液，非常清潔。”

當Luong首次啓動小型設備，試圖發現炭黑樣本的新狀態時，但沒有預料到會發現石墨烯。他表示，“我從《科學》上的一篇論文中瞭解到利用焦耳熱閃蒸技術，能夠製造相變的金屬納米顆粒。”隨後，Luong很快意識到，這一過程只生成了高品質石墨烯。

美國萊斯大學科學家正利用“閃蒸石墨烯”技術，將垃圾轉變爲渦輪層石墨烯。

通過原子水平模擬，萊斯大學的研究人員、論文的聯合者Ksenia Bets確定，溫度是原材料迅速轉變的關鍵因素。Bets表示，“我們從根本上加速了將碳緩慢轉變爲基態（石墨）的地質作用。我們通過極高溫度加速了反應過程，並形成正確的石墨烯狀態時停止。”

Bets說，“令人驚訝的是，前沿計算機模擬技術能顯著減慢這一反應的動力學過程，揭示了高溫調節原子運動和轉變的細節。”最近由於美國能源部資助的煤炭轉變項目的支持，Tour希望在未來兩年內每天生產1千克的閃蒸石墨烯。他補充道，“這或能爲大量的煤炭提供一種出路，將它們廉價地轉變爲更高質量的建築材料。”

原文鏈接：

https://phys.org/news/2020-01-lab-trash-valuable-graphene.html

本文由微信公衆號“環球科學”（ID：huanqiukexue）授權轉載

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編輯：Dannis

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