- 頭條變廢為寶，新技術讓垃圾變身石墨烯2020-10-16 來源：《電氣技術》雜志社 | 點擊率：導語美國萊斯大學研究人員在《自然》上宣稱，可以將從食物殘渣到汽車舊輪胎的任何含碳固體轉化成儲能材料石墨烯。
2019年，我國工信部印發了《關于組織開展2019年度工業強基工程重點產品、工藝“一條龍”應用計劃工作的通知》，其中明確選擇石墨烯“一條龍”應用計劃，包括石墨烯儲能正極材料、石墨烯鋁合金電纜相關產業鏈與鋰電池相關項目。
近年來，無論是高強度塑料、紡織纖維材料，還是柔性電子產品、石墨烯電池、傳感器產品，以及對重金屬污水的凈化、在萃取技術中的應用等，石墨烯及石墨烯材料應用范圍愈加廣泛。因其優異的電學、光學、力學特性，石墨烯在材料學、微納加工、能源、生物醫學和藥物傳遞等方面具有重要的應用前景，被認為是最有可能取代硅的新型材料，已成為國內外研究的熱點。
據了解，2004年研究學者將石墨烯從石墨中分離出來，并證實其可以以二維單層片狀結構存在。經過進一步的研究分析，單層石墨烯可以在空氣或真空中，在微型支架上形成一種褶皺結構，而且該結構抑制了石墨烯的熱漲落，保持了結構穩定。該特殊結構使得石墨烯具備了優異的化學與物理性能，如高導電性與導熱性。
但自石墨烯被發現以來，由于其制作工藝所需的嚴苛條件和昂貴的原料成本，其價格一直居高不下（每噸6.7～20萬美元），而高質量石墨烯無論單層還是多層的工業規模制造和提純都價格不菲。這對于制造發光二極管等小型器件來說問題不大，但對于大規模應用而言成本將大幅提高。而高產量的生產方法，如從大塊礦物石墨中剝離石墨烯，則會產生多達50層的石墨烯片，這對大多數應用來說并不理想。
因此，石墨烯的大量應用需建立在石墨烯能夠低成本、大尺寸與工業化生產的基礎上。雖然石墨烯的制備方法與技術控制（如機械剝離法、化學氣相沉積法、液相剝離法、外延生長法、切割碳管法等）日漸成熟，但仍存在產物雜質高、缺陷大、可加工性差等問題，生產工藝仍需不斷改進與完善。
近日，美國萊斯大學研究人員在《自然》上宣稱，可以將從食物殘渣到汽車舊輪胎的任何含碳固體轉化成儲能材料石墨烯。現有技術只能生產極少量的“完美”石墨烯，而在實驗室里這種新方法已經可以每天生產出幾克近乎原始的石墨烯，研究人員正在進一步擴大其產能至每天數公斤。
早在2014年，萊斯大學研究人員發現，可以用激光擊破一種叫做炭黑的無定形碳，從而制造出一種只有幾層厚的純石墨烯。短暫的脈沖將碳加熱到3000K以上，使碳原子間的鍵斷裂。當碳冷卻后，它會聚合成最穩定的結構——石墨烯。但這種方法制備的石墨烯仍然很少，并且要消耗大量能量。
后來其他研究者通過電擊一種材料，制造出了金屬納米顆粒，同時產生了同樣短暫的熱沖擊波。得此啟發，萊斯大學研究團隊提出，是否可以用電擊來加熱碳源并產生石墨烯呢？為此，該團隊研究人員在一個透明的玻璃瓶中放入一小塊炭黑，并用400V的電壓轟擊了約200ms。實驗一開始并未成功，但稍作調整后，就成功獲得了一個明亮的黃白色閃光，這時瓶內的溫度達到3000K左右。
圖1 由各種碳源合成的FG
在這一過程中，當碳原子凝聚形成石墨烯時，它們并未像在石墨中那樣有規律地堆積，而是一種渦輪態堆疊——石墨烯層以各種角度相互交錯的石墨烯材料。當在水或其他溶劑中時，渦輪態堆疊的石墨烯每一層都能與加入的任何復合材料相互作用，這是一種理想的能夠大批量使用的石墨烯。
圖2 CB-FG的放大和應用
隨著大量食物因變質而被丟棄，與日俱增的廢棄垃圾已成為影響地球生態可持續發展的問題。該團隊表示，通過在10ms內將含碳材料加熱到3000K，可以將幾乎所有碳源（包括廢棄食品、塑料廢料、石油焦、煤、木屑和生物炭的任何東西）大量轉化成有價值的石墨烯薄片，稱之為“閃蒸石墨烯”。該過程既快速又便宜，其成本比其他石墨烯制備方法要小得多。
萊斯大學研究人員還表示，在“閃蒸石墨烯”生產過程中，還會吸收CO2和CH4的溫室氣體作為原材料。因此通過這種方式生產石墨烯不僅能降低成本，也能降低對環境造成的污染。如將其混入用于粘結混凝土的水泥中，濃度在0.1%以下時，可將混凝土對環境的影響降低1/3。此外，該團隊對“閃蒸石墨烯”所采用的加熱技術進行了改進，比起目前在金屬箔上進行化學氣相沉積等技術，該方法能以更低的成本生產更多的石墨烯。
