美国莱斯大学开发的“闪蒸石墨烯”技能，能将各种废物在一阵光和热中改变为石墨烯。在10毫秒内，任何碳源都可以改变为这种值钱的二维资料。图片来自：Jeff Fitlow/Rice University
撰文：Mike Williams
翻译：张宇哲
审校：董子晨曦
将废物转化为石墨烯
莱斯大学化学家James Tour的研讨团队研制的一种新办法：可以将全部碳源资料改变为贵重的石墨烯薄片。此外，这种办法既敏捷又廉价。Tour表明，相较于其他石墨烯的出产方式，“闪蒸石墨烯”技能仅需消耗一小部分动力，就可以将一吨煤、食物残渣和塑料改变为石墨烯。
“这项技能十分重要，”Tour以为，“全球每年因糜烂而丢掉的食物多达30%到40%。此外，处理很多的塑料废物也是一大难题。咱们已证明，任何固态碳基资料，包含混合塑料废物和橡胶轮胎在内，都可以改变为石墨烯。”
正如他们发在《天然》中上的研讨，将含碳资料在10毫秒内加热到3000开尔文（约5000华氏度）能制备闪蒸石墨烯。原资料简直可所以任何含碳物质，食物残渣、塑料废物、石油焦、煤、木屑以及生物炭都是极好的原资料。Tour还表明，“现在，石墨烯的市场价为每吨67,000到200,000美元，因而，该一技能的远景十分宽广。”
Tour说道，只在粘合混凝土的水泥中参加0.1%的闪蒸石墨烯，就可以将其对环境构成的巨大影响下降三分之一。据报道，每年出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%。
这一可量产的进程有望敏捷将任何任何含碳物质，改变为很多的石墨烯。图中自左至右，依次是本科实习生Christina Crassas，化学家James Tour，研讨生Weiyin Chen 和 Duy Luong。
“运用石墨烯强化混凝土，可以大大削减修建中的混凝土用量，并进一步下降混凝土的出产和运送能耗，”Tour弥补道，“本质上讲，咱们捕获的是填埋的食物残渣而开释的温室气体，包含二氧化碳和甲烷等。咱们将那些碳改变为石墨烯并添加进混凝土中，然后下降出产的混凝土构成排放的二氧化碳量。因而运用这种技能出产石墨烯，是一个双赢的环境计划。”
论文的联合作者、莱斯大学土木与环境工程、资料科学和纳米工程副教授Rouzbeh Shahsavari表明，“变废为宝是循环经济的要害。在Tour等研制的技能中，石墨烯作为一种二维资料和强化剂，能调控水泥的水合效果和强度。”他一起也是C-Crete技能公司的总裁。
Tour持续说道，在曩昔，“石墨烯因价格贵重，无法完成上述使用。闪蒸进程不只协助咱们改进废物处理，一起还大幅下降出产所带来的本钱。运用这一办法能将碳固定，避免这些碳再次进入大气。
这一加工技能与莱斯大学最近宣告的“发明零排放未来”的建议十分符合，该建议呼吁从头运用油气中的碳氢化合物出产氢气和固体碳，然后完成二氧化碳的零排放。闪蒸石墨烯进程可以将固体碳改变为石墨烯，并用于制作混凝土、沥青、修建、轿车和服装等职业。”
新办法的发现
在Tour的实验室，文章榜首作者、莱斯大学研讨生Duy Luong研制出这种办法，改进了以往的石墨烯的制备技能。这些技能包含，从石墨上剥离以及在金属箔上进行化学气相堆积的办法，来取得石墨烯，需求的经济及劳作本钱都更高。
这一办法的一个优势是，制作出的“涡轮层”石墨烯在层与层之间的堆叠并非十分严密，易于别离。Tour解说称，“诸如从石墨中剥离石墨烯这类出产办法，得到的都是AB堆垛双层石墨烯，因为层与层之间牢牢招引，很难别离开来。”
而涡轮层石墨烯因为层间结合力十分小，很简单别离开来。这种石墨烯，在溶液或复合资料混合物中，就被别离。Tour表明，“这一点很重要，因为现在咱们咱们可以取得单原子层（石墨烯）。”
该实验室注意到，咖啡渣可以被改变为纯洁的单层石墨烯。在测试了石墨烯增强的混凝土和塑料后，研讨人员表明闪蒸石墨烯将可以和塑料、金属、胶合板、混凝土或其他修建资料构成复合资料。
这一闪蒸进程在一种特制反响容器中发作，在这里，原资料被敏捷加热并将非碳元素以气体方式排出。Tour说：“当把这一进程工业化时，包含氧气和氮气在内的小分子排放物都将被搜集起来，因为它们也有价值。”Tour表明，闪蒸进程简直不会发生剩余的热量，一切能量都用于构成产品，“在反响完毕数秒后，你就可以将手指放在反响容器上。”
他接着说：“相较于之前出产石墨烯用的化学气相堆积炉，闪蒸的温度简直提高了3倍；但在闪蒸进程中，一切热量都被储存在含碳资料上，周围的反响容器没有吸收任何能量。剩余的能量会以一道十分强的亮光开释出去。别的，这一进程也不需求用到其他溶液，十分清洁。”
当Luong初次发动小型设备，企图发现炭黑样本的新状况时，但没有意料到会发现石墨烯。他表明，“我从《科学》上的一篇论文中了解到运用焦耳热闪蒸技能，可以制作相变的金属纳米颗粒。”随后，Luong很快意识到，这一进程只生成了高品质石墨烯。
美国莱斯大学科学家正运用“闪蒸石墨烯”技能，将废物改变为涡轮层石墨烯。
经过原子水平模仿，莱斯大学的研讨人员、论文的联合者Ksenia Bets确认，温度是原资料敏捷改变的要害因素。Bets表明，“咱们从根本上加快了将碳缓慢改变为基态（石墨）的地质效果。咱们经过极高温度加快了反响进程，并构成正确的石墨烯状况时中止。”
Bets说，“令人惊奇的是，前沿计算机模仿技能能明显减慢这一反响的动力学进程，提醒了高温调理原子运动和改变的细节。”最近因为美国动力部赞助的煤炭改变项目的支撑，Tour期望在未来两年内每天出产1千克的闪蒸石墨烯。他弥补道，“这或能为很多的煤炭供给一种出路，将它们廉价地改变为更高质量的修建资料。”
https://phys.org/news/2020-01-lab-trash-valuable-graphene.html
修改：Dannis
