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变废为宝!从垃圾到石墨烯只需几毫秒

2020年03月23日 13:07来源:未知手机版

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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:董子晨曦

将垃圾转化为石墨烯

莱斯大学化学家James Tour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。原材料几乎可以是任何含碳物质,食物残渣、塑料垃圾、石油焦、煤、木屑以及生物炭都是极好的原材料。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的8%。

这一可量产的过程有望迅速将任何任何含碳物质,转变为大量的石墨烯。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,并进一步降低混凝土的生产和运输能耗,”Tour补充道,“本质上讲,我们捕获的是填埋的食物残渣而释放的温室气体,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,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,石墨烯作为一种二维材料和强化剂,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体碳,从而实现二氧化碳的零排放。闪蒸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。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。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,很难分离开来。”

而涡轮层石墨烯由于层间结合力非常小,很容易分离开来。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,因为现在我们可以获得单原子层(石墨烯)。”

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