新技術可以大規模生產石墨烯,原料只需要食物殘渣甚至塑料

通過萊斯大學開發的技術，炭黑粉末在光和熱的作用下變成石墨烯。閃蒸石墨烯技術（Flash graphene）可在10毫秒內將任何碳源轉化為有價值的2D材料。圖片：傑夫·菲特洛/萊斯大學

香蕉皮變成了石墨烯，可以大大幫助降低混凝土和其他建築材料對環境的影響。當新技術應用普及後，就可以將那些塑料容器扔掉了。

由賴斯大學詹姆斯·圖爾（James Tour）的化學實驗室引入的新工藝可以將幾乎所有的碳源大量轉化成有價值的石墨烯薄片。該過程既快速又便宜。圖爾說，」閃蒸石墨烯」（Flash graphene）技術可以將一噸煤、食物殘渣或塑料轉化為石墨烯，而成本僅為其他批量生產石墨烯的方法的一小部分。

圖爾說：「這很重要。世界上有30％到40％的食物被扔掉了，因為它變質了，塑料廢料引起了全世界的關注。我們已經證明，包括混合的塑料廢料和橡膠輪胎在內的任何固體碳基物質垃圾都可以變成石墨烯。」

根據《自然》雜誌的報導，通過將含碳材料加熱到3000開爾文（3273攝氏度），可以在10毫秒內快速製造出石墨烯。原料幾乎可以是任何具有碳原子的材料。圖爾說，食物垃圾、塑料垃圾、石油、焦炭、煤炭、木材屑和生物炭是主要的選擇。他說：「目前石墨烯的商業價格為每噸67000美元至200000美元，這種工藝的前景看起來非常好。」

圖爾說，用於粘結混凝土的水泥中添加含量低至0.1％的」閃蒸石墨烯」可以將其對環境的巨大影響減少三分之一。據報導，水泥行業生產每年排放多達8％的人造二氧化碳。

通過萊斯大學科學家開發的技術，炭黑瞬間變成了石墨烯。可擴展的工藝有望將碳從任何來源迅速轉變為塊狀石墨烯。左起：本科生實習生克裡斯蒂娜·克拉薩斯（Christina Crassas），化學家詹姆斯·圖爾（James Tour）和研究生維因·陳（Weyin Chen）和杜依·龍（Duy Luong）。圖片：傑夫·菲特洛/萊斯大學

他說：「通過用石墨烯增強混凝土，我們可以減少建築用混凝土的數量，而且製造成本和運輸成本也將降低。從本質上講，我們是在捕獲垃圾食品中可能排放的二氧化碳和甲烷等溫室氣體，這些垃圾將被轉化為石墨烯，並將該石墨烯添加到混凝土中，從而降低了混凝土生產中產生的二氧化碳量。使用石墨烯是雙贏的環境方案。」

論文的合作通訊作者，萊斯大學土木與環境工程，材料科學和納米工程學助理教授兼C-Crete 科技公司總裁羅茲巴·沙沙瓦裡（Rouzbeh Shahsavari）說：「將垃圾變成珍寶是循環經濟的關鍵。這裡，石墨烯既是二維模板又是控制水泥水化和隨後強度發展的增強劑。」

圖爾說：「過去，石墨烯在這些應用中使用過於昂貴。」閃蒸石墨烯」工藝將大大降低價格，同時有助於我們更好地管理廢物。」

他說：「採用我們的方法，碳就固定了。它不會再次進入空中。」

該過程與賴斯最近宣布的「碳中樞」倡議非常吻合，該倡議旨在創造零排放的未來，該計劃將石油和天然氣中的碳氫化合物重新利用以產生氫氣和固體碳，同時減少二氧化碳的排放。圖爾說，」閃蒸石墨烯」工藝可以將固體碳轉化為石墨烯，用於混凝土、瀝青、建築、汽車、服裝等。

閃蒸焦耳加熱（Flash Joule heating）技術

圖爾的研究生、論文的第一作者杜依·龍在實驗室開發了的用於大規模生產石墨烯的閃蒸焦耳加熱（Flash Joule heating）技術，這項技術改進了石墨剝離以及金屬箔化學氣相沉積的技術，這些技術需要付出更多努力和成本才能生產出少量的石墨烯。

更好的是，該過程產生了「亂層」石墨烯（turbostratic graphene），並帶有易於分離的錯位層。圖爾說：「由其他工藝製成的AB堆疊石墨烯（如通過石墨的剝離）很難拉開。各層牢固地粘合在一起。

疊層石墨烯（左）和「亂層」石墨烯（右）

但是，由於層之間的粘合性要低得多，所以「亂層」石墨更容易加工。它們在溶液中溶解或在複合物中混合時就破裂了。

他說：「這很重要，因為現在我們可以使每個單原子層與主體複合物相互作用。」

實驗室將用過的咖啡渣轉化為原始的單層石墨烯片。

」閃蒸石墨烯」（Flash graphene）

研究人員稱，與塑料、金屬、膠合板、混凝土和其他建築材料的塊狀複合材料將是」閃蒸石墨烯」的主要市場，他們已經在測試石墨烯增強的混凝土和塑料。

閃蒸過程發生在定製設計的反應器中，該反應器可快速加熱物料並將所有非碳元素排放為氣體。圖爾說：「當這個過程工業化時，離開閃蒸反應器的氧氣和氮氣等元素的小分子都將被捕獲，它們也具有價值。」

他說，閃蒸過程幾乎不會產生多餘的熱量，幾乎將其所有能量都轉移到目標中。「您可以在幾秒鐘後將手指放在容器上，」圖爾說：「請記住，這溫度比我們以前用來製造石墨烯的化學氣相沉積爐高出近三倍，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。

他說：「所有多餘的能量都以光，非常明亮的閃光形式發出，而且因為沒有任何溶劑，所以這是一個超級清潔的過程。」他說。

杜依·龍從炭黑樣品開始，在啟動第一個小型設備以發現新物相的過程中，並沒有希望發現石墨烯。他說：「這始於我看過一篇有關閃速焦耳加熱以製造金屬相變納米顆粒的科學論文時所看到的。」但是，他很快意識到該過程能生產高質量的石墨烯。

賴斯大學的科學家正在通過一種可以將其擴大到工業規模的過程，將廢物轉化為亂層狀石墨烯。圖片：Rouzbeh Shahsavari/C-Crete Group

賴斯大學的研究員、論文合著者凱妮婭·貝茨（Ksenia Bets）進行的原子級模擬證實，溫度是材料快速形成的關鍵。她說：「我們從根本上加快了緩慢的過程，使碳演化為基態，即石墨。由於熱量峰值而大大加速，它也可以在正確的石墨烯階段的瞬間停止。

貝茨說：「令人驚奇的是，先進的計算機模擬揭示了高溫調節的原子運動和轉變的細節。」貝茨說。

圖爾希望在兩年內每天生產一千克閃蒸石墨烯，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：「這可以通過將廉價煤炭轉化為價值更高的建築材料來大規模的出口。」