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焦点丨莱斯大学实现石墨烯自下而上克级快速合成


来源:中国粉体网

[导读]  莱斯大学化学专家詹姆斯·图尔(James Tours)的实验室团队引入可以将碳源大量转化为有价值石墨烯薄片的新工艺。该工艺具有快速和低成本等特点。负责人图尔说:“我们引入的‘快速石墨烯’工艺具有快速、低成本等优势,它可以将煤、食物残渣或塑料等物质快速转化成石墨烯,其成本显著低于其他批量生产石墨烯的工艺。”

中国粉体网讯  莱斯大学化学专家詹姆斯·图尔(James Tours)的实验室团队引入可以将碳源大量转化为有价值石墨烯薄片的新工艺。该工艺具有快速和低成本等特点。负责人图尔说:“我们引入的‘快速石墨烯’工艺具有快速、低成本等优势,它可以将煤、食物残渣或塑料等物质快速转化成石墨烯,其成本显著低于其他批量生产石墨烯的工艺。”



通过莱斯大学开发的技术,炭黑粉末在光和热的作用下变成石墨烯。闪蒸石墨烯可在10毫秒内将任何碳源转化为有价值的2D材料。©Jeff Fitlow


目前全世界很多食物残渣和废弃塑料被浪费,因此如何合理开发这些废弃资源成为绿色发展的关键。目前相关科研及工业实践已经证明,任何固体碳基物质(包括混合废弃塑料、橡胶轮胎)都可转化为石墨烯。


根据《自然》杂志的报道,通过将含碳材料加热到3000K,可在10毫秒内快速制造出石墨烯。食物垃圾、塑料、石油焦炭、木材屑和生物炭等含碳材料都可用于石墨烯的制造。图尔说:“目前石墨烯的商业价格为67000-200000美元/吨,由此看出我们的工艺具有很大的商业价值。”


据报道,全世界每年的水泥生产碳排放占人造二氧化碳的8%,在水泥中掺杂0.1%含量的快速石墨烯,便可以将其碳排放量减少三分之一。


图尔说:“通过用石墨烯增强混凝土,我们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。 基本上,我们正在捕获二氧化碳和甲烷等温室气体、厨余垃圾等碳材料,并将这些碳转化为石墨烯添加到混凝土中,从而减少混凝土生产中二氧化碳排放量。”


文章的共同通讯作者,莱斯大学材料科学和纳米工程学助理教授Rouzbeh Shahsavari说:“废弃物的可再生利用是循环经济的关键。我们采用石墨烯作为2D模板,同时又作为控制水泥强化的增强剂。”


图尔认为闪蒸过程可以显著的降低石墨烯的制造成本,同时帮助我们更好的管理废弃物。该过程与莱斯最近宣布的“ 碳中枢”倡议非常吻合,该倡议旨在创造零排放的未来,该计划将利用石油和天然气中的碳氢化合物产生氢气和固体碳,同时减少二氧化碳的排放。图尔说,快速石墨烯工艺可以将固体碳转化为石墨烯,用于混凝土、沥青、建筑物、汽车、衣服等。同时该工艺可有效的固碳,显著降低空气中的二氧化碳含量。


赖斯研究生和第一作者Duy Luong在Tour实验室开发的用于散装石墨烯的Flash Joule加热技术,改进了从石墨剥落和金属箔上化学气相沉积等技术,这些技术需要付出更多的精力和成本才能生产出少量的石墨烯。


令人欣喜的是,该过程会产生“涡轮层”石墨烯,并带有易于分离的错位层。图尔说:“来自其他工艺的AB堆叠石墨烯(例如石墨的剥离)很难被拉开。这些堆叠层牢固地粘合在一起。但是,由于层间的粘合力要低得多,所以层状石墨烯更容易加工。这很重要,因为现在我们可以使每个单原子层与主体复合物相互作用。”



一种可以将其扩大规模以生产工业规模数量的方法,将废物转化为涡轮层状石墨烯。

插图 Rouzbeh Shahsavari


研究人员称,石墨烯与塑料、金属、胶合板、混凝土和其他建筑材料的块状复合材料将是闪蒸石墨烯的主要市场,他们已经在测试石墨烯增强的混凝土和塑料。



闪蒸过程发生在定制设计的反应器中,该反应器可快速加热物料并将所有非碳素元素排放为气体。图尔说:“当该工艺工业化时,闪蒸过程中产生的氧气和氮气可被收集再利用。”


图尔说:“闪蒸过程几乎不会产生多余的热量,几乎将其所有能量都转移到目标中。您甚至可以在几秒钟后用手触碰容器。但是在闪蒸过程中,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闪光形式发出,因为没有任何溶剂,所以这也是超级清洁的过程。”


Duy Luong在启动第一个小型设备以发现新相的过程中,并没有发现石墨烯,首先是炭黑样品。他说:“这始于当我看一本有关闪速焦耳加热以制造相变金属纳米粒子的科学论文,但是,我很快意识到该过程可生产高质量的石墨烯。”


赖斯研究员、合著者Ksenia Bets进行的原子模拟证实,温度是材料快速形成的关键。她说:“我们实质上加快了缓慢的地质过程,使碳演化为基态,即石墨。由于热量峰值极大地加速这一过程,让它在石墨烯阶段的瞬间停止反应。令人惊奇的是,计算机模拟揭示了高温调节的原子运动和转变的细节。”


图尔希望在两年内每天生产1千克闪蒸石墨烯,首先是由美国能源部资助的一个项目,该项目旨在转换美国来源的煤炭。他说:“这可以通过将煤炭廉价地转化为价值更高的建筑材料来提供大规模的煤炭出口。”


图尔获得了美国能源部的资助,以扩大闪速石墨烯工艺,该技术将由初创公司Universal Matter Ltd.共同资助。同时美国空军科学研究所和美国国家科学基金会也为这项研究提供了支持。


相关论文链接:https://doi.org/10.1038/s41586-020-1938-0

(中国粉体网编辑整理/江岸)

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