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新技術使垃圾化身石墨烯

近日,美國萊斯大學的研究人員在《自然》上報道,他們可以將從食物殘渣到汽車舊輪胎的任何含碳固體轉化成石墨烯。如今,從高強度塑料到柔性電子產品,由石墨烯制成的材料使用范圍十分廣泛。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,研究人員現在正在擴大其產能至每天數公斤。

近日,美國萊斯大學的研究人員在《自然》上報道,他們可以將從食物殘渣到汽車舊輪胎的任何含碳固體轉化成石墨烯。如今,從高強度塑料到柔性電子產品,由石墨烯制成的材料使用范圍十分廣泛。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,研究人員現在正在擴大其產能至每天數公斤。
“無論從科學角度還是實踐角度而言,這項工作都是開創性的。”達拉斯得克薩斯大學化學家Ray Baughman說。研究人員成立了一家名為Universal Matter的新公司,欲將廢棄物轉化為石墨烯的這一過程商業化。
石墨烯的碳原子薄片像六角細鐵絲網一樣排列,其強度比鋼高,導電、導熱性能優于銅,可作為防止金屬生銹的不透水屏障。但是,自2004年被發現以來,高質量石墨烯——無論單層還是多層——的工業規模制造和提純一直價格不菲。對于制造發光二極管等小型器件來說,這不成問題,但對于大批量應用而言,則成本太高。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。
2014年,萊斯大學化學家James Tour和同事發現,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3000開爾文以上,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。
兩年前,Tour的研究生Luong Xuan Duy注意到,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。
“我想知道是否可以用它來加熱碳源并產生石墨烯。”Duy說。
他在一個透明的玻璃瓶中放入一小塊炭黑,并用400伏特的電壓轟擊了約200毫秒。一開始他得到了無用的東西,但稍作調整之后,他成功獲得了一個明亮的黃白色閃光,這表明瓶內的溫度達到3000開爾文左右。化學檢測表明,他制備出了石墨烯。
這是一種理想的能夠大批量使用的石墨烯。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,而是獲得了一種渦輪態堆疊的石墨烯材料——石墨烯層以各種角度相互交錯。“這是一件好事。”Duy說。當在水或其他溶劑中時,渦輪態堆疊的石墨烯的每一層都能與加入的任何復合材料相互作用。
“這將使它成為一種很好的應用材料。”埃克塞特大學材料物理學家Monica Craciun說。2018年,她和同事報告說,在混凝土中添加石墨烯使前者的抗壓強度增加了1倍多。Tour團隊看到了幾乎相同的結果。當他們將由此產生的石墨烯按重量添加0.05%到混凝土中時,混泥土抗壓強度提高了25%。將石墨烯加入聚二甲基硅氧烷(一種常見的塑料)中,后者強度提高了250%。
值得一提的是,這種石墨烯的原料便宜且豐富。幾乎所有的有機物,包括咖啡渣、食物殘渣、舊輪胎和塑料瓶,都可以用于制造這種材料。“我們正在把垃圾變成石墨烯。”Duy說。

本文來自中國科學報,本文觀點不代表石墨烯網立場,轉載請聯系原作者。

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