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- 發布時間2020-02-09 18:47
- 發布人金彩集團(tuan)
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萊斯大學化學專家(jia)詹姆斯·圖爾（James Tours）的實驗室團隊引入可以將碳源大量轉化為有價值石墨烯薄片的新工藝。該工藝具有快速和低成本等特點。負責人圖爾說：“我們引入的‘快速石墨烯’工藝具有快速、低成本等優勢，它可以將煤、食物殘渣或塑料等物質快速轉化成石墨烯，其成本顯著低于其他批量生產石墨烯的工藝。”
通過萊斯大學開發的技術，炭黑(hei)粉末在光和(he)熱(re)的作用下變成(cheng)石墨(mo)(mo)烯(xi)。閃蒸石墨(mo)(mo)烯(xi)可(ke)在10毫秒內將任何碳源轉化為有價值的2D材料。
目(mu)前(qian)全世界很多(duo)食物殘渣和廢棄塑(su)料(liao)被浪費，因此如何合理開(kai)發這些廢棄資(zi)源成為綠色發展的關鍵。目(mu)前(qian)相(xiang)關科研(yan)及工業實踐已經證(zheng)明，任(ren)何固(gu)體碳基物質（包(bao)括混合廢棄塑(su)料(liao)、橡膠輪(lun)胎）都可轉化為石(shi)墨烯。
根(gen)據(ju)《自然》雜志的報道，通(tong)過將含(han)碳材料(liao)加(jia)熱到3000K，可在10毫秒內快速制造出石墨烯。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：“目前石墨烯的商業價格為67000-200000美元/噸，由此看出我們的工藝具有很大的商業價值。”
據(ju)報道，全世界每(mei)年(nian)的水(shui)泥生產碳排放占人(ren)造二氧(yang)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：“通過用石墨烯增強混凝土，我們可以減少建筑用混凝土的數量，從而降低制造成本和運輸成本。 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，并將這些碳轉化為石墨烯添加到混凝土中，從而減少混凝土生產中二氧化碳排放量。”
文章的共同通訊作者(zhe)，萊斯大學材料科(ke)學和納(na)米(mi)工(gong)程學助(zhu)理教(jiao)授Rouzbeh Shahsavari說：“廢棄物的可再生利用是循環經濟的關鍵。我們采用石墨烯作為2D模板，同時又作為控制水泥強化的增強劑。”
圖爾認為閃蒸(zheng)過程可以顯(xian)著的降低石墨烯的制造成本，同時幫助我(wo)們更(geng)好的管理廢棄物。該過程與萊斯最近宣布(bu)的“ 碳中樞”倡議非常吻合，該倡議旨在創造零排放的未來，該計劃將利用石油和天然氣中的碳氫化合物產生氫氣和固體碳，同時減少二氧化碳的排放。圖爾說，快速石墨烯工藝可以將固體碳轉化為石墨烯，用于混凝土、瀝青、建筑物、汽車、衣服等。同時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(sheng)和第一(yi)作者Duy Luong在Tour實驗室開發的用于散裝石墨烯的Flash Joule加熱技術，改進了從石墨剝落和金屬箔上化學氣相沉積等技術，這些技術需要付出更多的精力和成本才能生產出少量的石墨烯。
令人(ren)欣喜的是，該過程會產生(sheng)“渦輪層”石墨烯，并帶有易于分離的錯位層。圖爾說：“來自其他工藝的AB堆疊石墨烯（例如石墨的剝離）很難被拉開。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，因為現在我們可以使每個單原子層與主體復合物相互作用。”
一種(zhong)可(ke)以將(jiang)(jiang)其擴大規模(mo)以生(sheng)產工業規模(mo)數(shu)量的方法，將(jiang)(jiang)廢物轉化為(wei)渦輪層狀石(shi)墨烯。
研究人員稱(cheng)，石(shi)墨烯(xi)與塑料(liao)(liao)、金屬、膠合板、混凝土和其他建(jian)筑材料(liao)(liao)的塊(kuai)狀(zhuang)復合材料(liao)(liao)將是閃蒸石(shi)墨烯(xi)的主(zhu)要市場(chang)，他們(men)已(yi)經在測試石(shi)墨烯(xi)增強的混凝土和塑料(liao)(liao)。
閃蒸過(guo)程發(fa)生在定制(zhi)設(she)計的(de)反(fan)應器中(zhong)，該反(fan)應器可快速加熱物料并將所有非碳素(su)元(yuan)素(su)排放(fang)為氣體。圖(tu)爾說：“當該工藝工業化時，閃蒸過程中產生的氧氣和氮氣可被收集再利用。”
圖爾說：“閃蒸過程幾乎不會產生多余的熱量，幾乎將其所有能量都轉移到目標中。您甚至可以在幾秒鐘后用手觸碰容器。但是在閃蒸過程中，熱量集中在碳材料中，而周圍的反應器中則沒有熱量，所有多余的能量都以閃光形式發出，因為沒有任何溶劑，所以這也是超級清潔的過程。”
Duy Luong在啟動第一個小(xiao)型設備(bei)以發現新相的(de)過(guo)程中(zhong)，并沒(mei)有(you)(you)發現石墨烯，首(shou)先是炭黑樣品。他說：“這始于當我看(kan)一本有(you)(you)關閃速焦(jiao)耳加熱以制造相變(bian)金屬(shu)納(na)米粒子的(de)科(ke)學(xue)論文，但(dan)是，我很(hen)快意識到該過(guo)程可生產高質量的(de)石墨烯。”
賴斯(si)研究員、合著者(zhe)Ksenia Bets進行的原子模擬證實，溫度是材料快速形成的關鍵。她說：“我們實質上加快了緩慢的地質過程，使碳演化為基態，即石墨。由于熱量峰值極大地加速這一過程，讓它在石墨烯階段的瞬間停止反應。令人驚奇的是，計算機模擬揭示了高溫調節的原子運動和轉變的細節。”
圖爾希望在兩年內(nei)每(mei)天生產1千克閃蒸石墨烯，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：“這可以通過將煤炭廉價地轉化為價值更高的建筑材料來提供大規模的煤炭出口。”
圖爾獲(huo)得了美(mei)國能源部的資(zi)助，以擴(kuo)大閃速石墨烯工藝，該技術將由初(chu)創公司Universal Matter Ltd.共同資助。同時美國空軍科學研究所和美國國家科學基金會也為這項研究提供了支持。
