圖片來源：Jeff Fitlow/Rice University
萊斯大學(xué)化學(xué)家James Tour的研究團隊研發(fā)的一種新方法：能夠?qū)⒁磺刑荚床牧限D(zhuǎn)變?yōu)榘嘿F的石墨烯薄片。此外，這種方法既迅速又便宜。Tour表示，相較于其他石墨烯的生產(chǎn)方式，“閃蒸石墨烯”技術(shù)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(zhuǎn)變?yōu)槭?br />“這項技術(shù)十分重要，”Tour認(rèn)為，“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(jīng)證實，任何固態(tài)碳基材料，包括混合塑料垃圾和橡膠輪胎在內(nèi)，都可以轉(zhuǎn)變?yōu)槭！?/section>正如他們發(fā)在《自然》中上的研究，將含碳材料在10毫秒內(nèi)加熱到3000開爾文（約5000華氏度）能制備閃蒸石墨烯。原材料幾乎可以是任何含碳物質(zhì)，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，石墨烯的市場價為每噸67,000到200,000美元，因此，該一技術(shù)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(huán)境造成的巨大影響降低三分之一。據(jù)報道，每年生產(chǎn)水泥排放的二氧化碳大約占人類排放二氧化碳總量的8%。
這一可量產(chǎn)的過程有望迅速將任何任何含碳物質(zhì)，轉(zhuǎn)變?yōu)榇罅康氖D中自左至右，依次是本科實習(xí)生Christina Crassas，化學(xué)家James Tour，研究生Weiyin Chen 和 Duy Luong。“利用石墨烯強化混凝土，可以減少建筑中的混凝土用量，并進一步降低混凝土的生產(chǎn)和運輸能耗，”Tour補充道，“本質(zhì)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(zhuǎn)變?yōu)槭┎⑻砑舆M混凝土中，從而降低生產(chǎn)的混凝土造成排放的二氧化碳量。因此使用這種技術(shù)生產(chǎn)石墨烯，是一個雙贏的環(huán)境方案?！?/section>論文的聯(lián)合作者、萊斯大學(xué)土木與環(huán)境工程、材料科學(xué)和納米工程副教授Rouzbeh Shahsavari表示，“變廢為寶是循環(huán)經(jīng)濟的關(guān)鍵。在Tour等研發(fā)的技術(shù)中，石墨烯作為一種二維材料和強化劑，能調(diào)控水泥的水合作用和強度?！彼瑫r也是C-Crete技術(shù)公司的總裁。Tour繼續(xù)說道，在過去，“石墨烯因價格昂貴，無法實現(xiàn)上述應(yīng)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(chǎn)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(shù)與萊斯大學(xué)最近宣布的“創(chuàng)造零排放未來”的倡議非常吻合，該倡議呼吁重新利用油氣中的碳?xì)浠衔锷a(chǎn)氫氣和固體碳，從而實現(xiàn)二氧化碳的零排放。閃蒸石墨烯過程能夠?qū)⒐腆w碳轉(zhuǎn)變?yōu)槭?，并用于制造混凝土、瀝青、建筑、汽車和服裝等行業(yè)?！?/section>在Tour的實驗室，文章第一作者、萊斯大學(xué)研究生Duy Luong研發(fā)出這種方法，改進了以往的石墨烯的制備技術(shù)。這些技術(shù)包括，從石墨上剝離以及在金屬箔上進行化學(xué)氣相沉積的方法，來獲得石墨烯，需要的經(jīng)濟及勞動成本都更高。
這一方法的一個優(yōu)勢是，制造出的“渦輪層”石墨烯在層與層之間的堆疊并非十分緊密，易于分離。Tour解釋稱，“諸如從石墨中剝離石墨烯這類生產(chǎn)方法，得到的都是AB堆垛雙層石墨烯，因為層與層之間牢牢吸引，很難分離開來?！?/p>
而渦輪層石墨烯由于層間結(jié)合力非常小，很容易分離開來。這種石墨烯，在溶液或復(fù)合材料混合物中，就被分離。Tour表示，“這一點非常重要，因為現(xiàn)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(zhuǎn)變?yōu)榧儍舻膯螌邮Ｔ跍y試了石墨烯增強的混凝土和塑料后，研究人員表示閃蒸石墨烯將可以和塑料、金屬、膠合板、混凝土或其他建筑材料形成復(fù)合材料。
這一閃蒸過程在一種特制反應(yīng)容器中發(fā)生，在這里，原材料被迅速加熱并將非碳元素以氣體形式排出。Tour說：“當(dāng)把這一過程產(chǎn)業(yè)化時，包括氧氣和氮氣在內(nèi)的小分子排放物都將被收集起來，因為它們也有價值。”Tour表示，閃蒸過程幾乎不會產(chǎn)生多余的熱量，所有能量都用于形成產(chǎn)物，“在反應(yīng)結(jié)束數(shù)秒后，你就可以將手指放在反應(yīng)容器上?！?/p>
他接著說：“相較于之前生產(chǎn)石墨烯用的化學(xué)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(yīng)容器沒有吸收任何能量。多余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(dāng)Luong首次啟動小型設(shè)備，試圖發(fā)現(xiàn)炭黑樣本的新狀態(tài)時，但沒有預(yù)料到會發(fā)現(xiàn)石墨烯。他表示，“我從《科學(xué)》上的一篇論文中了解到利用焦耳熱閃蒸技術(shù)，能夠制造相變的金屬納米顆粒?！彪S后，Luong很快意識到，這一過程只生成了高品質(zhì)石墨烯。
美國萊斯大學(xué)科學(xué)家正利用“閃蒸石墨烯”技術(shù)，將垃圾轉(zhuǎn)變?yōu)闇u輪層石墨烯。通過原子水平模擬，萊斯大學(xué)的研究人員、論文的聯(lián)合者Ksenia Bets確定，溫度是原材料迅速轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵因素。Bets表示，“我們從根本上加速了將碳緩慢轉(zhuǎn)變?yōu)榛鶓B(tài)（石墨）的地質(zhì)作用。我們通過極高溫度加速了反應(yīng)過程，并形成正確的石墨烯狀態(tài)時停止。”Bets說，“令人驚訝的是，前沿計算機模擬技術(shù)能顯著減慢這一反應(yīng)的動力學(xué)過程，揭示了高溫調(diào)節(jié)原子運動和轉(zhuǎn)變的細(xì)節(jié)?！弊罱捎诿绹茉床抠Y助的煤炭轉(zhuǎn)變項目的支持，Tour希望在未來兩年內(nèi)每天生產(chǎn)1千克的閃蒸石墨烯。他補充道，“這或能為大量的煤炭提供一種出路，將它們廉價地轉(zhuǎn)變?yōu)楦哔|(zhì)量的建筑材料?！?/section>
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