变废为宝,利用电力将垃圾制成高质量的石墨烯

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(文章来源:网络整理)

自2004英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯以来,因其优异的光学、电学、热学和力学特性,在材料学、能源、环境、生物医学等方面具有重要的应用前景,被认为是一种未来革命性的材料,从而引发了石墨烯研究和应用的热潮。

石墨烯是一种由碳原子以sp杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。其机械强度是钢的200倍,可拉伸至其原始长度的25%,比铜的导电性更好,是目前导热性最好的材料,并且可以加工成不可渗透的薄膜。

目前,石墨烯常见的粉体生产的方法为机械剥离法、氧化还原法、SiC外延生长法,薄膜生产方法为化学气相沉积法(CVD)。但是,高质量的石墨烯(单层或几层堆叠的石墨烯)在工业规模上的制造和纯化仍然很昂贵。对于制造诸如晶体管和发光二极管之类的小型设备而言,这不是问题,但对于大批量的应用,该技术的成本还是太高。

科学家们一直在致力寻求一种简单低成本的工业合成方法。1月份发表在《自然》杂志上的报告提供了一种新的合成技术, 焦耳热闪蒸技术(flash Joule heating, FJH)。在焦耳热闪蒸的加热过程中,非晶态导电碳粉在两个电极之间的石英或陶瓷管内部被轻微压缩。

整个系统可以在大气压下或在中等真空度(约10毫米汞柱)下。电极可以是铜,石墨或任何导电的耐火材料,电容器组在高压下放电,在不到100 ms的时间内将含碳的物质升高到3000K的温度,有效地将无定形碳转化为涡轮层的闪蒸石墨烯(FG)。

石墨烯是在瞬间生成的,在不到一秒钟的时间内,高压放电产生的高温会破坏所有化学键,并使碳重新排列成薄层的涡轮层状石墨烯层。FG合成不使用熔炉,也不使用溶剂或反应性气体,产量取决于来源的碳含量。当使用高碳源(例如炭黑,无烟煤或煅烧焦炭)时,产率高达80%至90%,而碳纯度大于99%,无需纯化操作,其转化所需的电能约为7.2 kJ/g。

并且,这种制造工艺可以利用可再生或是垃圾来源的碳,如例如木炭,生物碳,腐殖酸,角蛋白(人发),木质素,蔗糖,淀粉,松树皮,橄榄油烟灰,白菜,椰子,开心果壳,马铃薯皮,橡胶轮胎和混合塑料,甚至包括聚对苯二甲酸乙二酯(PET或PETE),高或低密度聚乙烯,聚氯乙烯,聚丙烯和聚丙烯腈等。当将合成的聚合物转化为闪蒸石墨烯时,非碳原子会以小分子形式升华,可以作为工业的燃料来源,留下的碳含量很高的产物在转化为石墨烯。

当然,在实际中不同方法生成石墨烯的品质会有差异。相比于常见的粉末生成方法,焦耳热闪蒸技术通过调节电极之间的样品压缩率(影响样品的电导率)、电容器的附加电压和开关持续时间可以优化石墨烯的生成,能够得到极高品质的涡轮层状石墨烯。

这种涡轮层状石墨烯涡轮层状石墨烯相比通用的石墨烯,具有更好的导电和导热性能,并且因为碳层之间具有相对旋转的多层石墨烯,可以有效地使相邻层的电子态解耦,并保留与单层石墨烯类似的性质。

这种涡轮层状石墨烯已被证实可以增加复合材料的应用性能。当将0.05%(重量)的闪蒸石墨烯添加到混凝土中时,其抗压强度提高了25%;将石墨烯添加到普通塑料聚二甲基硅氧烷中后,其机械强度提高了250%。并且还被用作锂离子电容器和锂离子电池中的电极材料,证明了使用闪蒸石墨烯在先进能源应用中的潜力。

这种新方法已经在实验室每天生产千克量级的石墨烯,更多的后续工作在工程化生产上。值得注意的是,闪蒸石墨烯可以很好地分散在水/表面活性剂中,得到高度浓缩的分散液,这就为工业化设计提供了便利性。

一家名为Universal Matter 的公司正在努力将废物转化为石墨烯的规模扩大到工业规模。可能在不久远的未来,我们有可能利用几乎所有的有机物,包括生物质,再生塑料和橡胶,煤炭,石油焦,甚至是食物残渣等,汽化制成石墨烯供更多新型科技领域应用。
      (责任编辑:fqj)

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