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石墨烯将变白菜价?《自然》发表重大突破!

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放大字体  缩小字体    发布日期:2020-02-11  来源:高分子科学前沿  浏览次数:5
核心提示:nature推文报道,通过廉价的焦耳热闪蒸技术(flash Joule heating,FJH)可以将任何来源的碳,无论是石油焦碳、煤炭、碳黑、食品废弃物、橡胶轮胎还是塑料垃圾,统统在不到100毫秒的时间内变成石墨烯,并实现克级制备!
 


      最薄、最轻、最强、最硬、极佳的导电导热性能,让石墨烯获得了“新材料之王”的称号! 但有个缺点就是“贵”!

目前的石墨烯的合成有两条路径。(1)大多数石墨烯的制备方法都是自上而下的,通过剥离石墨,往往需要大量的溶剂以及高能混合、剪切、超声波和电化学处理。 为了促进剥离,将石墨烯进行化学氧化,变成氧化石墨烯,之后对其还原获得剥离的石墨烯。 这一过程往往需要苛刻的氧化剂,并且通过这一方法获得的石墨烯往往具有缺陷。 (2)自下而上合成石墨烯: 比如采用化学气相沉积或先进的有机合成方法,这一方法合成的石墨烯质量高,缺陷少,但是产率低。

美国莱斯大学James M. Tour、Boris I. Yakobson和C-Crete科技公司的Rouzbeh Shahsavari合作,通过廉价的焦耳热闪蒸技术(flash Joule heating,FJH)可以将任何来源的碳,无论是石油焦碳、煤炭、碳黑、食品废弃物、橡胶轮胎还是塑料垃圾,统统在不到100毫秒的时间内变成石墨烯,并实现克级制备!相关论文以“Gram-scale bottom-up flash graphene synthesis”为题,于2020年1月27日发表在《Nature》上,第一作者为:Duy X. Luong。 同一时间《Science》杂志发表了题目为《电力: 将垃圾转变为石墨烯! 》(Electricity turns garbage into graphene)的报道。

nature

如图1(a)所示非晶态导电碳粉在两个电极之间轻微压缩,放入石英或陶瓷管内,气压维持在大气压或者微弱的真空下(~10mm Hg)。 电极材料可以是铜、石墨或任何导电耐火的材料。 电容器组高压放电使碳源在不到100毫秒的时间内达到3000 K以上的温度,有效地将非晶碳转化为涡轮堆叠的石墨烯。 研究人员将焦耳热闪蒸技术获得的石墨烯命名为Flash graphene (FG,闪蒸石墨烯),层层堆叠的闪蒸石墨烯表现出涡轮层堆叠。 FG的合成不使用熔炉,不需要溶剂、反应气体。 产量取决于碳源的碳含量。 当使用高碳含量碳源时,如炭黑、无烟煤或焦炭,FG产率在80%-90%之间,碳纯度大于99%,无需净化步骤。拉曼光谱分析显示FG的D带强度低甚至没有,表明FG是迄今为止报道的缺陷最少的石墨烯材料之一,同时FG的涡轮层状堆积,这与涡轮层石墨有着明显区别。 这种无序取向有利于其在复合过程中快速剥离。每克FG合成所需的电能成本仅为7.2千焦耳(小编进行粗略的计算: 1度电=1千瓦时=1000W*3600S=3600千焦耳,粗略估算一度电能合成500g石墨烯,按照一度电5毛3来算,也就是说未来一公斤石墨烯电力成本低至1.06元……未来石墨烯可能比白菜还便宜,现在超市里的白菜也远不止这个价了),该方法获得的石墨烯成本低廉,低到可以和塑料、金属、胶合板、混凝土和其他建筑材料进行复合,广泛用于复合材料。

nature 论文

图1.通过不同碳源合成FG。(a)闪速焦耳加热工艺示意图,以及闪蒸过程中的温升与时间的关系图(插图);(b)咖啡作为碳源的FG的HR-TEM照片;(e)不同碳源合成的FG的拉曼、XRD、TEM照片

早在2014年James M. Tour采用激光诱导碳黑转化为石墨烯,短暂的脉冲将碳黑加热到3000 K以上,使得碳原子间键断裂,随着碳原子的电子云冷却,形成最稳定的结构即石墨烯。 既然激光可以,那么热呢? Tour的研究生Duy X. Luong设想是否可以通过加热碳源来生产石墨烯?起初他在一个透明的玻璃瓶中放了一点炭黑,用400V的电压轰击了大约200毫秒,然而并没有成功。 但经过一系列调整,他成功地创造出明亮、黄白的色闪光,表明小瓶内的温度达到了3000K,经化学测试表明他成功的合成了石墨烯。

science杂志

美国德克萨斯大学达拉斯分校Ray Baughman院士评价:这项工作无论从科学,还是从实践的角度出发都是开创性的!有望使石墨烯便宜到可以用于增强沥青或油漆的质量!Tour团队成立了一家名为Universal Matter的初创公司,将此工艺进行商业化。尝试在混凝土中添加0.05 vol%石墨烯,混凝土的抗压强度提升25%。在PDMS中添加该产品,强度能够提升250%。基于这一成果,石墨烯成本将大幅下降,激发研究人员将石墨烯与其他材料复合。有望推动石墨烯真正走向应用!Duy X. Luong补充说:咖啡渣,食物残渣,旧轮胎和塑料瓶,都可以汽化来制造原料,我们正在将垃圾转化为石墨烯。

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关键词: 石墨烯,突破
 
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