石墨烯是什么东西(从垃圾到昂贵的石墨烯，可能

美国莱斯大学开发的“闪蒸石墨烯”技术，能将各种垃圾在一阵光和热中转变为石墨烯。在10毫秒内，任何碳源都可以转变为这种值钱的二维材料。图片来源Jeff Fitlow/Rice University

撰文Mike Williams

翻译张宇哲

审校董子晨曦

将垃圾转化为石墨烯

莱斯大学化学家James Tour的研究团队研发的一种新方法能够将一切碳源材料转变为昂贵的石墨烯薄片。，这种方法既迅速又便宜。Tour表示，相较于其他石墨烯的生产方式，“闪蒸石墨烯”技术仅需耗费一小部分能源，就可以将一吨煤、食物残渣和塑料转变为石墨烯。

“这项技术十分重要，”Tour认为，“全球每年因腐败而扔掉的食物多达30%到40%。，解决大量的塑料垃圾也是一大难题。我们已经证实，任何固态碳基材料，包括混合塑料垃圾和橡胶轮胎在内，都可以转变为石墨烯。”

正如他们发在《自然》中上的研究，将含碳材料在10毫秒内加热到3000开尔文（约5000华氏度）能制备闪蒸石墨烯。原材料几乎可以是任何含碳物质，食物残渣、塑料垃圾、石油焦、煤、木屑以及生物炭都是极好的原材料。Tour还表示，“目前，石墨烯的市场价为每吨67,000到200,000美元，，该一技术的前景十分广阔。”

Tour说道，只在粘合混凝土的水泥中加入0.1%的闪蒸石墨烯，就可以将其对环境造成的巨大影响降低三分之一。据报道，每年生产水泥排放的二氧化碳大约占人类排放二氧化碳总量的8%。

这一可量产的过程有望迅速将任何任何含碳物质，转变为大量的石墨烯。图中自左至右，依次是本科实习生Christina Crassas，化学家James Tour，研究生Weiyin Chen 和 Duy Luong。

“利用石墨烯强化混凝土，可以减少建筑中的混凝土用量，并进一步降低混凝土的生产和运输能耗，”Tour补充道，“本质上讲，我们捕获的是填埋的食物残渣而释放的温室气体，包括二氧化碳和甲烷等。我们将那些碳转变为石墨烯并添加进混凝土中，从而降低生产的混凝土造成排放的二氧化碳量。使用这种技术生产石墨烯，是一个双赢的环境方案。”

论文的联合作者、莱斯大学土木与环境工程、材料科学和纳米工程副教授Rouzbeh Shahsavari表示，“变废为宝是循环经济的关键。在Tour等研发的技术中，石墨烯作为一种二维材料和强化剂，能调控水泥的水合作用和强度。”他也是C-Crete技术公司的总裁。

Tour继续说道，在过去，“石墨烯因价格昂贵，无法实现上述应用。闪蒸过程不仅帮助我们改善垃圾处理，还大幅降低生产成本。利用这一方法能将碳固定，防止这些碳进入大气。

这一加工技术与莱斯大学最近宣布的“创造零排放未来”的倡议非常吻合，该倡议呼吁重新利用油气中的碳氢化合物生产氢气和固体碳，从而实现二氧化碳的零排放。闪蒸石墨烯过程能够将固体碳转变为石墨烯，并用于制造混凝土、沥青、建筑、汽车和服装等行业。”

新方法的发现

在Tour的实验室，文章第一作者、莱斯大学研究生Duy Luong研发出这种方法，改进了以往的石墨烯的制备技术。这些技术包括，从石墨上剥离以及在金属箔上进行化学气相沉积的方法，来获得石墨烯，需要的经济及劳动成本都更高。

这一方法的一个优势是，制造出的“涡轮层”石墨烯在层与层之间的堆叠并非十分紧密，易于分离。Tour解释称，“诸如从石墨中剥离石墨烯这类生产方法，得到的都是AB堆垛双层石墨烯，因为层与层之间牢牢吸引，很难分离开来。”

而涡轮层石墨烯由于层间结合力非常小，很容易分离开来。这种石墨烯，在溶液或复合材料混合物中，就被分离。Tour表示，“这一点非常重要，因为现在我们可以获得单原子层（石墨烯）。”

该实验室注意到，咖啡渣能够被转变为纯净的单层石墨烯。在测试了石墨烯增强的混凝土和塑料后，研究人员表示闪蒸石墨烯将可以和塑料、金属、胶合板、混凝土或其他建筑材料形成复合材料。

这一闪蒸过程在一种特制反应容器中发生，在这里，原材料被迅速加热并将非碳元素以气体形式排出。Tour说“当把这一过程产业化时，包括氧气和氮气在内的小分子排放物都将被收集起来，因为它们也有价值。”Tour表示，闪蒸过程几乎不会产生多余的热量，所有能量都用于形成产物，“在反应结束数秒后，你就可以将手指放在反应容器上。”

他接着说“相较于之前生产石墨烯用的化学气相沉积炉，闪蒸的温度几乎提高了3倍；但在闪蒸过程中，所有热量都被储存在含碳材料上，周围的反应容器没有吸收任何能量。多余的能量会以一道非常强的闪光释放出去。，这一过程也不需要用到其他溶液，非常清洁。”

当Luong启动小型设备，试图发现炭黑样本的新状态时，但没有预料到会发现石墨烯。他表示，“我从《科学》上的一篇论文中了解到利用焦耳热闪蒸技术，能够制造相变的金属纳米颗粒。”随后，Luong很快意识到，这一过程只生成了高品质石墨烯。

美国莱斯大学科学家正利用“闪蒸石墨烯”技术，将垃圾转变为涡轮层石墨烯。

通过原子水平模拟，莱斯大学的研究人员、论文的联合者Ksenia Bets确定，温度是原材料迅速转变的关键因素。Bets表示，“我们从根本上加速了将碳缓慢转变为基态（石墨）的地质作用。我们通过极高温度加速了反应过程，并形成正确的石墨烯状态时停止。”

Bets说，“令人惊讶的是，前沿计算机模拟技术能显著减慢这一反应的动力学过程，揭示了高温调节原子运动和转变的细节。”最近由于美国能源部资助的煤炭转变项目的支持，Tour希望在未来两年内每天生产1千克的闪蒸石墨烯。他补充道，“这或能为大量的煤炭提供一种出路，将它们廉价地转变为更高质量的建筑材料。”

原文链接

phys/news/2020-01-lab-trash-valuable-graphene.html

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编辑Dannis

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