莱斯大学化学家James Tour的研究团队研发的一种新方法：能够将一切碳源材料转变为昂贵的石墨烯薄片。此外，这种方法既迅速又便宜。

美国莱斯大学开发的“闪蒸石墨烯”技术，能将各种垃圾在一阵光和热中转变为石墨烯。在10毫秒内，任何碳源都可以转变为这种值钱的二维材料。图片来源：Jeff Fitlow/Rice University

撰文：Mike Williams

翻译：张宇哲

审校：董子晨曦

将垃圾转化为石墨烯

莱斯大学化学家James Tour的研究团队研发的一种新方法：能够将一切碳源材料转变为昂贵的石墨烯薄片。此外，这种方法既迅速又便宜。Tour表示，相较于其他石墨烯的生产方式，“闪蒸石墨烯”技术仅需耗费一小部分能源，就可以将一吨煤、食物残渣和塑料转变为石墨烯。

“这项技术十分重要，”Tour认为，“全球每年因腐败而扔掉的食物多达30％到40％。此外，解决大量的塑料垃圾也是一大难题。我们已经证实，任何固态碳基材料，包括混合塑料垃圾和橡胶轮胎在内，都可以转变为石墨烯。”

正如他们发在《自然》中上的研究，将含碳材料在10毫秒内加热到3000开尔文（约5000华氏度）能制备闪蒸石墨烯。原材料几乎可以是任何含碳物质，食物残渣、塑料垃圾、石油焦、煤、木屑以及生物炭都是极好的原材料。Tour还表示，“目前，石墨烯的市场价为每吨67，000到200，000美元，因此，该一技术的前景十分广阔。”

Tour说道，只在粘合混凝土的水泥中加入0.1％的闪蒸石墨烯，就可以将其对环境造成的巨大影响降低三分之一。据报道，每年生产水泥排放的二氧化碳大约占人类排放二氧化碳总量的8％。

这一可量产的过程有望迅速将任何任何含碳物质，转变为大量的石墨烯。图中自左至右，依次是本科实习生Christina Crassas，化学家James Tour，研究生Weiyin Chen 和 Duy Luong。

“利用石墨烯强化混凝土，可以减少建筑中的混凝土用量，并进一步降低混凝土的生产和运输能耗，”Tour补充道，“本质上讲，我们捕获的是填埋的食物残渣而释放的温室气体，包括二氧化碳和甲烷等。我们将那些碳转变为石墨烯并添加进混凝土中，从而降低生产的混凝土造成排放的二氧化碳量。因此使用这种技术生产石墨烯，是一个双赢的环境方案。”

论文的联合作者、莱斯大学土木与环境工程、材料科学和纳米工程副教授Rouzbeh Shahsavari表示，“变废为宝是循环经济的关键。在Tour等研发的技术中，石墨烯作为一种二维材料和强化剂，能调控水泥的水合作用和强度。”他同时也是C-Crete技术公司的总裁。

Tour继续说道，在过去，“石墨烯因价格昂贵，无法实现上述应用。闪蒸过程不仅帮助我们改善垃圾处理，同时还大幅降低生产成本。利用这一方法能将碳固定，防止这些碳再次进入大气。

这一加工技术与莱斯大学最近宣布的“创造零排放未来”的倡议非常吻合，该倡议呼吁重新利用油气中的碳氢化合物生产氢气和固体碳，从而实现二氧化碳的零排放。闪蒸石墨烯过程能够将固体碳转变为石墨烯，并用于制造混凝土、沥青、建筑、汽车和服装等行业。”

新方法的发现

在Tour的实验室，文章第一作者、莱斯大学研究生Duy Luong研发出这种方法，改进了以往的石墨烯的制备技术。这些技术包括，从石墨上剥离以及在金属箔上进行化学气相沉积的方法，来获得石墨烯，需要的经济及劳动成本都更高。

这一方法的一个优势是，制造出的“涡轮层”石墨烯在层与层之间的堆叠并非十分紧密，易于分离。Tour解释称，“诸如从石墨中剥离石墨烯这类生产方法，得到的都是AB堆垛双层石墨烯，因为层与层之间牢牢吸引，很难分离开来。”

而涡轮层石墨烯由于层间结合力非常小，很容易分离开来。这种石墨烯，在溶液或复合材料混合物中，就被分离。Tour表示，“这一点非常重要，因为现在我们可以获得单原子层（石墨烯）。”

该实验室注意到，咖啡渣能够被转变为纯净的单层石墨烯。在测试了石墨烯增强的混凝土和塑料后，研究人员表示闪蒸石墨烯将可以和塑料、金属、胶合板、混凝土或其他建筑材料形成复合材料。

这一闪蒸过程在一种特制反应容器中发生，在这里，原材料被迅速加热并将非碳元素以气体形式排出。Tour说：“当把这一过程产业化时，包括氧气和氮气在内的小分子排放物都将被收集起来，因为它们也有价值。”Tour表示，闪蒸过程几乎不会产生多余的热量，所有能量都用于形成产物，“在反应结束数秒后，你就可以将手指放在反应容器上。”

他接着说：“相较于之前生产石墨烯用的化学气相沉积炉，闪蒸的温度几乎提高了3倍；但在闪蒸过程中，所有热量都被储存在含碳材料上，周围的反应容器没有吸收任何能量。多余的能量会以一道非常强的闪光释放出去。另外，这一过程也不需要用到其他溶液，非常清洁。”

当Luong首次启动小型设备，试图发现炭黑样本的新状态时，但没有预料到会发现石墨烯。他表示，“我从《科学》上的一篇论文中了解到利用焦耳热闪蒸技术，能够制造相变的金属纳米颗粒。”随后，Luong很快意识到，这一过程只生成了高品质石墨烯。

美国莱斯大学科学家正利用“闪蒸石墨烯”技术，将垃圾转变为涡轮层石墨烯。

通过原子水平模拟，莱斯大学的研究人员、论文的联合者Ksenia Bets确定，温度是原材料迅速转变的关键因素。Bets表示，“我们从根本上加速了将碳缓慢转变为基态（石墨）的地质作用。我们通过极高温度加速了反应过程，并形成正确的石墨烯状态时停止。”

Bets说，“令人惊讶的是，前沿计算机模拟技术能显著减慢这一反应的动力学过程，揭示了高温调节原子运动和转变的细节。”最近由于美国能源部资助的煤炭转变项目的支持，Tour希望在未来两年内每天生产1千克的闪蒸石墨烯。他补充道，“这或能为大量的煤炭提供一种出路，将它们廉价地转变为更高质量的建筑材料。”