突破性進展!《Nature》:此文一出,「石墨烯」秒變「白菜價」!

最薄、最輕、最強、最硬、極佳的導電導熱性能，讓石墨烯獲得了「新材料之王」的稱號！但有個缺點就是「貴」！

目前的石墨烯的合成有兩條路徑。（1）大多數石墨烯的製備方法都是自上而下的，通過剝離石墨，往往需要大量的溶劑以及高能混合、剪切、超聲波和電化學處理。為了促進剝離，將石墨烯進行化學氧化，變成氧化石墨烯，之後對其還原獲得剝離的石墨烯。這一過程往往需要苛刻的氧化劑，並且通過這一方法獲得的石墨烯往往具有缺陷。（2）自下而上合成石墨烯：比如採用化學氣相沉積或先進的有機合成方法，這一方法合成的石墨烯質量高，缺陷少，但是產率低。

美國萊斯大學James M. Tour、Boris I. Yakobson和C-Crete科技公司的Rouzbeh Shahsavari合作，通過廉價的焦耳熱閃蒸技術（flash Joule heating，FJH）可以將任何來源的碳，無論是石油焦碳、煤炭、碳黑、食品廢棄物、橡膠輪胎還是塑料垃圾，統統在不到100毫秒的時間內變成石墨烯，並實現克級製備！相關論文以「Gram-scale bottom-up flash graphene synthesis」為題，於2020年1月27日發表在《Nature》上，第一作者為：Duy X. Luong。同一時間《Science》雜誌發表了題目為《電力：將垃圾轉變為石墨烯！》（Electricity turns garbage into graphene）的報導。

如圖1（a）所示非晶態導電碳粉在兩個電極之間輕微壓縮，放入石英或陶瓷管內，氣壓維持在大氣壓或者微弱的真空下（~10mm Hg）。電極材料可以是銅、石墨或任何導電耐火的材料。電容器組高壓放電使碳源在不到100毫秒的時間內達到3000 K以上的溫度，有效地將非晶碳轉化為渦輪堆疊的石墨烯。研究人員將焦耳熱閃蒸技術獲得的石墨烯命名為Flash graphene (FG，閃蒸石墨烯），層層堆疊的閃蒸石墨烯表現出渦輪層堆疊。FG的合成不使用熔爐，不需要溶劑、反應氣體。產量取決於碳源的碳含量。當使用高碳含量碳源時，如炭黑、無煙煤或焦炭，FG產率在80%-90%之間，碳純度大於99%，無需淨化步驟。拉曼光譜分析顯示FG的D帶強度低甚至沒有，表明FG是迄今為止報導的缺陷最少的石墨烯材料之一，同時FG的渦輪層狀堆積，這與渦輪層石墨有著明顯區別。這種無序取向有利於其在複合過程中快速剝離。每克FG合成所需的電能成本僅為7.2千焦耳（小編進行粗略的計算：1度電=1千瓦時=1000W*3600S=3600千焦耳，粗略估算一度電能合成500g石墨烯，按照一度電5毛3來算，也就是說未來一公斤石墨烯電力成本低至1.06元……未來石墨烯可能比白菜還便宜），該方法獲得的石墨烯成本低廉，低到可以和塑料、金屬、膠合板、混凝土和其他建築材料進行複合，廣泛用於複合材料。

圖1.通過不同碳源合成FG。（a）閃速焦耳加熱工藝示意圖，以及閃蒸過程中的溫升與時間的關係圖（插圖）；（b）咖啡作為碳源的FG的HR-TEM照片；（e）不同碳源合成的FG的拉曼、XRD、TEM照片

早在2014年James M. Tour採用雷射誘導碳黑轉化為石墨烯，短暫的脈衝將碳黑加熱到3000 K以上，使得碳原子間鍵斷裂，隨著碳原子的電子云冷卻，形成最穩定的結構即石墨烯。既然雷射可以，那麼熱呢？Tour的研究生Duy X. Luong設想是否可以通過加熱碳源來生產石墨烯？起初他在一個透明的玻璃瓶中放了一點炭黑，用400V的電壓轟擊了大約200毫秒，然而並沒有成功。但經過一系列調整，他成功地創造出明亮、黃白的色閃光，表明小瓶內的溫度達到了3000K，經化學測試表明他成功的合成了石墨烯。

美國德克薩斯大學達拉斯分校Ray Baughman院士評價：這項工作無論從科學，還是從實踐的角度出發都是開創性的！有望使石墨烯便宜到可以用於增強瀝青或油漆的質量！Tour團隊成立了一家名為Universal Matter的初創公司，將此工藝進行商業化。嘗試在混凝土中添加0.05 vol%石墨烯，混凝土的抗壓強度提升25%。在PDMS中添加該產品，強度能夠提升250%。基於這一成果，石墨烯成本將大幅下降，激發研究人員將石墨烯與其他材料複合。有望推動石墨烯真正走向應用！Duy X. Luong補充說：咖啡渣，食物殘渣，舊輪胎和塑料瓶，都可以汽化來製造原料，我們正在將垃圾轉化為石墨烯。

全文連結：

https://www.sciencemag.org/news/2020/01/electricity-turns-garbage-graphene

來源：高分子科學前沿 作者：錢塘river