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- 發(fā)布時間2020-02-09 18:47
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萊斯大學化學專家詹姆斯·圖爾（James Tours）的實驗室團隊引入可以將碳源大量轉化為有價值石墨烯薄片的新工藝。該工藝具有快速和低成本等特點。負責人圖爾說：“我們引入的‘快速石墨烯’工藝具有快速、低成本等優(yōu)勢，它可以將煤、食物殘渣或塑料等物質快速轉化成石墨烯，其成本顯著低于其他批量生產(chǎn)石墨烯的工藝。”
通過萊斯大學開發(fā)的技術，炭黑粉末在光和熱的作用下變成石墨烯。閃蒸石墨烯可在10毫秒內將任何碳源轉化為有價值的2D材料。
目前全世界很多食物殘渣和廢棄塑料被浪費，因此如何合理開發(fā)這些廢棄資源成為綠色發(fā)展的關鍵。目前相關科研及工業(yè)實踐已經(jīng)證明，任何固體碳基物質（包括混合廢棄塑料、橡膠輪胎）都可轉化為石墨烯。
根據(jù)《自然》雜志的報道，通過將含碳材料加熱到3000K，可在10毫秒內快速制造出石墨烯。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。圖爾說：“目前石墨烯的商業(yè)價格為67000-200000美元/噸，由此看出我們的工藝具有很大的商業(yè)價值。”
據(jù)報道，全世界每年的水泥生產(chǎn)碳排放占人造二氧化碳的8%，在水泥中摻雜0.1%含量的快速石墨烯，便可以將其碳排放量減少三分之一。
圖爾說：“通過用石墨烯增強混凝土，我們可以減少建筑用混凝土的數(shù)量，從而降低制造成本和運輸成本。 基本上，我們正在捕獲二氧化碳和甲烷等溫室氣體、廚余垃圾等碳材料，并將這些碳轉化為石墨烯添加到混凝土中，從而減少混凝土生產(chǎn)中二氧化碳排放量。”
文章的共同通訊作者，萊斯大學材料科學和納米工程學助理教授Rouzbeh Shahsavari說：“廢棄物的可再生利用是循環(huán)經(jīng)濟的關鍵。我們采用石墨烯作為2D模板，同時又作為控制水泥強化的增強劑。”
圖爾認為閃蒸過程可以顯著的降低石墨烯的制造成本，同時幫助我們更好的管理廢棄物。該過程與萊斯最近宣布的“ 碳中樞”倡議非常吻合，該倡議旨在創(chuàng)造零排放的未來，該計劃將利用石油和天然氣中的碳氫化合物產(chǎn)生氫氣和固體碳，同時減少二氧化碳的排放。圖爾說，快速石墨烯工藝可以將固體碳轉化為石墨烯，用于混凝土、瀝青、建筑物、汽車、衣服等。同時該工藝可有效的固碳，顯著降低空氣中的二氧化碳含量。
賴斯研究生和第一作者Duy Luong在Tour實驗室開發(fā)的用于散裝石墨烯的Flash Joule加熱技術，改進了從石墨剝落和金屬箔上化學氣相沉積等技術，這些技術需要付出更多的精力和成本才能生產(chǎn)出少量的石墨烯。
令人欣喜的是，該過程會產(chǎn)生“渦輪層”石墨烯，并帶有易于分離的錯位層。圖爾說：“來自其他工藝的AB堆疊石墨烯（例如石墨的剝離）很難被拉開。這些堆疊層牢固地粘合在一起。但是，由于層間的粘合力要低得多，所以層狀石墨烯更容易加工。這很重要，因為現(xiàn)在我們可以使每個單原子層與主體復合物相互作用。”
一種可以將其擴大規(guī)模以生產(chǎn)工業(yè)規(guī)模數(shù)量的方法，將廢物轉化為渦輪層狀石墨烯。
研究人員稱，石墨烯與塑料、金屬、膠合板、混凝土和其他建筑材料的塊狀復合材料將是閃蒸石墨烯的主要市場，他們已經(jīng)在測試石墨烯增強的混凝土和塑料。
閃蒸過程發(fā)生在定制設計的反應器中，該反應器可快速加熱物料并將所有非碳素元素排放為氣體。圖爾說：“當該工藝工業(yè)化時，閃蒸過程中產(chǎn)生的氧氣和氮氣可被收集再利用。”
圖爾說：“閃蒸過程幾乎不會產(chǎn)生多余的熱量，幾乎將其所有能量都轉移到目標中。您甚至可以在幾秒鐘后用手觸碰容器。但是在閃蒸過程中，熱量集中在碳材料中，而周圍的反應器中則沒有熱量，所有多余的能量都以閃光形式發(fā)出，因為沒有任何溶劑，所以這也是超級清潔的過程。”
Duy Luong在啟動第一個小型設備以發(fā)現(xiàn)新相的過程中，并沒有發(fā)現(xiàn)石墨烯，首先是炭黑樣品。他說：“這始于當我看一本有關閃速焦耳加熱以制造相變金屬納米粒子的科學論文，但是，我很快意識到該過程可生產(chǎn)高質量的石墨烯。”
賴斯研究員、合著者Ksenia Bets進行的原子模擬證實，溫度是材料快速形成的關鍵。她說：“我們實質上加快了緩慢的地質過程，使碳演化為基態(tài)，即石墨。由于熱量峰值極大地加速這一過程，讓它在石墨烯階段的瞬間停止反應。令人驚奇的是，計算機模擬揭示了高溫調節(jié)的原子運動和轉變的細節(jié)。”
圖爾希望在兩年內每天生產(chǎn)1千克閃蒸石墨烯，首先是由美國能源部資助的一個項目，該項目旨在轉換美國來源的煤炭。他說：“這可以通過將煤炭廉價地轉化為價值更高的建筑材料來提供大規(guī)模的煤炭出口。”
圖爾獲得了美國能源部的資助，以擴大閃速石墨烯工藝，該技術將由初創(chuàng)公司Universal Matter Ltd.共同資助。同時美國空軍科學研究所和美國國家科學基金會也為這項研究提供了支持。
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