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「二氧化碳」从垃圾到昂贵的石墨烯，可能只需要几毫秒

「二氧化碳」从垃圾到昂贵的石墨烯，可能只需要几毫秒
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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%。
「二氧化碳」从垃圾到昂贵的石墨烯，可能只需要几毫秒
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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）。”


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