科学家瞬间将垃圾变成有价值的石墨烯

通过莱斯大学开发的技术，炭黑粉末在光和热的作用下变成石墨烯。Flash石墨烯可在10毫秒内将任何碳源转化为有价值的2D材料。

香蕉皮变成了石墨烯，可以帮助大大减少混凝土和其他建筑材料对环境的影响。在使用时，将那些塑料容器扔掉。

赖斯大学化学家詹姆斯·图尔（James Tour）实验室引入的一种新工艺可以将大量几乎所有碳源转化为有价值的石墨烯薄片。该过程既快速又便宜；图尔说，“闪速石墨烯”技术可以将一吨煤，食物残渣或塑料转化为石墨烯，而成本仅为其他散装石墨烯生产方法所用成本的一小部分。

“这很重要，”图尔说。“世界上有30％到40％的食物被扔掉了，因为它变质了，塑料废料引起了全世界的关注。我们已经证明，任何固体碳基物质，包括混合的塑料废料和橡胶轮胎，都可以转化为石墨烯。”

根据《自然》杂志的报道，通过将含碳材料加热到3,000开尔文（约5,000华氏度），可以在10毫秒内制造出快速石墨烯。原料几乎可以是任何含碳量的材料。图尔说，废弃食品，塑料废料，石油焦炭，煤炭，木材屑和生物炭是主要的候选者。他说：“目前石墨烯的商业价格为每吨67,000至200,000美元，这种工艺的前景看起来非常好。”

托尔说，用于粘结混凝土的水泥中闪点石墨烯的含量低至0.1％可以将其对环境的巨大影响减少三分之一。据报道，水泥生产每年排放多达8％的人造二氧化碳。

他说：“通过用石墨烯增强混凝土，我们可以减少建筑用混凝土的成本，从而降低制造成本和运输成本。”“从本质上讲，我们是在捕获二氧化碳和甲烷之类的温室气体，这些垃圾会浪费食物到垃圾填埋场。我们正在将这些碳转化为石墨烯，并将该石墨烯添加到混凝土中，从而降低了混凝土生产中产生的二氧化碳量。使用石墨烯是一种双赢的环境方案。”

莱斯的同时通讯作者，莱斯大学土木与环境工程，材料科学和纳米工程学助理教授兼C-Crete Technologies总裁Rouzbeh Shahsavari说：“将垃圾变成珍宝是循环经济的关键。”“这里，石墨烯既充当2D模板，又充当控制水泥水化和随后强度发展的增强剂。”

托尔说，过去，“石墨烯在这些应用中使用过于昂贵。闪存过程将大大降低价格，同时帮助我们更好地管理废物。”

他说：“采用我们的方法，碳就固定了。”“它不会再次进入空中。”

该过程与赖斯最近宣布的“碳中枢”倡议非常吻合，该倡议旨在创造零排放的未来，该计划将利用石油和天然气中的碳氢化合物重新利用以产生氢气和固体碳，而二氧化碳的排放量为零。图尔说，快速石墨烯工艺可以将固体碳转化为石墨烯，用于混凝土，沥青，建筑，汽车，服装等。

瞬间，通过莱斯大学科学家开发的技术，炭黑变成了石墨烯。可扩展的工艺有望将碳从任何来源迅速转变为块状石墨烯。左起：实习生克里斯蒂娜·克拉萨斯（Christina Crassas），化学家詹姆斯·图尔（James Tour）和研究生维因·陈（Weyin Chen）和杜依（Duy Luong）。

赖斯研究生和第一作者Duy Luong在Tour实验室开发的用于散装石墨烯的Flash Joule加热技术，改进了石墨剥离和化学气相沉积在金属箔上的技术，这些技术需要付出更多的精力和成本才能生产出少量的石墨烯。 。

更好的是，该过程会产生“湍流型”石墨烯，并带有易于分离的错位层。图尔说：“通过其他工艺（例如石墨剥落）制成的A-B堆叠石墨烯很难拉开。”“这些层牢固地粘合在一起。但是，由于层间的粘合力要低得多，所以层状石墨烯更容易加工。它们只是在溶液中或在混合到复合物中时就破裂了。

他说：“这很重要，因为现在我们可以使这些单原子层中的每一个与主体复合物相互作用。”

实验室注意到，用过的咖啡渣转化为原始的单层石墨烯片。

研究人员称，石墨烯与塑料，金属，胶合板，混凝土和其他建筑材料的散装复合材料将是闪蒸石墨烯的主要市场，他们已经在测试石墨烯增强的混凝土和塑料。

闪蒸过程发生在定制设计的反应器中，该反应器可快速加热物料并将所有非碳素元素排放为气体。Tour说：“当该过程工业化时，离开闪蒸反应器的氧气和氮气等元素都可能被捕集为小分子，因为它们具有价值。”

赖斯大学的科学家正在通过一种可以将其扩大规模以生产工业规模数量的方法，将废物转化为涡轮层状石墨烯。

他说，闪光过程几乎不会产生多余的热量，几乎将其所有能量传导到目标中。“您可以在几秒钟后将手指放在容器上，” Tour说。“请记住，这几乎比我们以前用来制造石墨烯的化学气相沉积炉高三倍，但是在闪蒸过程中，热量集中在碳材料中，而周围的反应器中则没有热量

他说：“所有多余的能量都以光，非常明亮的闪光形式发出，并且因为没有任何溶剂，所以这是一个超级清洁的过程，”他说。

Luong在启动第一个小型设备以发现新相的过程中，并没有发现石墨烯，这是从炭黑样品开始的。他说：“这始于当我看一本有关闪速焦耳加热以制造相变金属纳米颗粒的科学论文时，”他说。但是，Luong很快意识到该过程只生产高质量的石墨烯。

赖斯研究员和合著者Ksenia Bets进行的原子级模拟证实，温度是材料快速形成的关键。她说：“我们实质上加快了缓慢的地质过程，使碳演化为基态，即石墨。”“由于热量峰值极大地加速了它，它也在石墨烯阶段的正确瞬间停止了。

贝茨说：“令人惊奇的是，先进的计算机模拟（观察到这样的动力学非常慢）揭示了高温调节的原子运动和相变的细节，”贝茨说。

托尔希望在两年内每天生产一千克（2.2磅）闪蒸石墨烯，首先是由美国能源部资助的一个项目，该项目旨在转换美国来源的煤炭。他说：“这可以通过将煤炭廉价地转化为价值更高的建筑材料来提供大规模的煤炭出口。”

参考：Duy X. Luong，Ksenia V. Bets，Wala Ali Algozeeb，Michael G. Stanford，Carter Kittrell，Weiyin Chen，Rodrigo V.Salvatierra，Muqing Ren，Emily A. McHugh，保罗·阿德芬库拉（Paul A.
10.1038 / s41586-020-1938-0

Tour获得了能源部的资助，以扩大闪速石墨烯工艺，该技术将由初创公司Universal Matter Ltd.共同资助。

该论文的共同作者包括赖斯大学的研究生瓦拉·阿里·阿尔戈泽布，陈维音，保罗·阿德金库拉，艾米莉·麦克休，任牧青和王哲；博士后研究员迈克尔·斯坦福；学术访问者Rodrigo Salvatierra和Vladimir Mancevski；德克萨斯州斯塔福德市C-Crete Technologies公司的Mahesh Bhatt；赖斯助理研究员华国教授。鲍里斯·雅各布森（Boris Yakobson），卡尔·F·哈瑟尔曼（Karl F.

Tour是T.T.和W.F.Chao担任化学系主任，并在莱斯担任计算机科学，材料科学和纳米工程学教授。

空军科学研究所和美国国家科学基金会为这项研究提供了支持。