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- 發(fā)布時(shí)間2020-02-09 18:47
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萊斯大學(xué)化學(xué)專家詹姆斯·圖爾（James Tours）的實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)引入可以將碳源大量轉(zhuǎn)化為有價(jià)值石墨烯薄片的新工藝。該工藝具有快速和低成本等特點(diǎn)。負(fù)責(zé)人圖爾說(shuō)：“我們引入的‘快速石墨烯’工藝具有快速、低成本等優(yōu)勢(shì)，它可以將煤、食物殘?jiān)蛩芰系任镔|(zhì)快速轉(zhuǎn)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(guò)萊斯大學(xué)開(kāi)發(fā)的技術(shù)，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(nèi)將任何碳源轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的2D材料。
目前全世界很多食物殘?jiān)蛷U棄塑料被浪費(fèi)，因此如何合理開(kāi)發(fā)這些廢棄資源成為綠色發(fā)展的關(guān)鍵。目前相關(guān)科研及工業(yè)實(shí)踐已經(jīng)證明，任何固體碳基物質(zhì)（包括混合廢棄塑料、橡膠輪胎）都可轉(zhuǎn)化為石墨烯。
根據(jù)《自然》雜志的報(bào)道，通過(guò)將含碳材料加熱到3000K，可在10毫秒內(nèi)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(shuō)：“目前石墨烯的商業(yè)價(jià)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(jià)值。”
據(jù)報(bào)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(shuō)：“通過(guò)用石墨烯增強(qiáng)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(yùn)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(zhuǎn)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(xué)材料科學(xué)和納米工程學(xué)助理教授Rouzbeh Shahsavari說(shuō)：“廢棄物的可再生利用是循環(huán)經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵。我們采用石墨烯作為2D模板，同時(shí)又作為控制水泥強(qiáng)化的增強(qiáng)劑。”
圖爾認(rèn)為閃蒸過(guò)程可以顯著的降低石墨烯的制造成本，同時(shí)幫助我們更好的管理廢棄物。該過(guò)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(lái)，該計(jì)劃將利用石油和天然氣中的碳?xì)浠衔锂a(chǎn)生氫氣和固體碳，同時(shí)減少二氧化碳的排放。圖爾說(shuō)，快速石墨烯工藝可以將固體碳轉(zhuǎn)化為石墨烯，用于混凝土、瀝青、建筑物、汽車、衣服等。同時(shí)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(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的用于散裝石墨烯的Flash Joule加熱技術(shù)，改進(jìn)了從石墨剝落和金屬箔上化學(xué)氣相沉積等技術(shù)，這些技術(shù)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(guò)程會(huì)產(chǎn)生“渦輪層”石墨烯，并帶有易于分離的錯(cuò)位層。圖爾說(shuō)：“來(lái)自其他工藝的AB堆疊石墨烯（例如石墨的剝離）很難被拉開(kāi)。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?yàn)楝F(xiàn)在我們可以使每個(gè)單原子層與主體復(fù)合物相互作用。”
一種可以將其擴(kuò)大規(guī)模以生產(chǎn)工業(yè)規(guī)模數(shù)量的方法，將廢物轉(zhuǎn)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(fù)合材料將是閃蒸石墨烯的主要市場(chǎng)，他們已經(jīng)在測(cè)試石墨烯增強(qiáng)的混凝土和塑料。
閃蒸過(guò)程發(fā)生在定制設(shè)計(jì)的反應(yīng)器中，該反應(yīng)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(shuō)：“當(dāng)該工藝工業(yè)化時(shí)，閃蒸過(guò)程中產(chǎn)生的氧氣和氮?dú)饪杀皇占倮谩！?/span>
圖爾說(shuō)：“閃蒸過(guò)程幾乎不會(huì)產(chǎn)生多余的熱量，幾乎將其所有能量都轉(zhuǎn)移到目標(biāo)中。您甚至可以在幾秒鐘后用手觸碰容器。但是在閃蒸過(guò)程中，熱量集中在碳材料中，而周圍的反應(yīng)器中則沒(méi)有熱量，所有多余的能量都以閃光形式發(fā)出，因?yàn)闆](méi)有任何溶劑，所以這也是超級(jí)清潔的過(guò)程。”
Duy Luong在啟動(dòng)第一個(gè)小型設(shè)備以發(fā)現(xiàn)新相的過(guò)程中，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)石墨烯，首先是炭黑樣品。他說(shuō)：“這始于當(dāng)我看一本有關(guān)閃速焦耳加熱以制造相變金屬納米粒子的科學(xué)論文，但是，我很快意識(shí)到該過(guò)程可生產(chǎn)高質(zhì)量的石墨烯。”
賴斯研究員、合著者Ksenia Bets進(jìn)行的原子模擬證實(shí)，溫度是材料快速形成的關(guān)鍵。她說(shuō)：“我們實(shí)質(zhì)上加快了緩慢的地質(zhì)過(guò)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(guò)程，讓它在石墨烯階段的瞬間停止反應(yīng)。令人驚奇的是，計(jì)算機(jī)模擬揭示了高溫調(diào)節(jié)的原子運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)變的細(xì)節(jié)。”
圖爾希望在兩年內(nèi)每天生產(chǎn)1千克閃蒸石墨烯，首先是由美國(guó)能源部資助的一個(gè)項(xiàng)目，該項(xiàng)目旨在轉(zhuǎn)換美國(guó)來(lái)源的煤炭。他說(shuō)：“這可以通過(guò)將煤炭廉價(jià)地轉(zhuǎn)化為價(jià)值更高的建筑材料來(lái)提供大規(guī)模的煤炭出口。”
圖爾獲得了美國(guó)能源部的資助，以擴(kuò)大閃速石墨烯工藝，該技術(shù)將由初創(chuàng)公司Universal Matter Ltd.共同資助。同時(shí)美國(guó)空軍科學(xué)研究所和美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)也為這項(xiàng)研究提供了支持。
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