变废为宝，新技术让垃圾变身石墨烯
武汉加油 共渡难关
2019年，我国工信部印发了《关于组织开展2019年度工业强基工程重点产品、工艺“一条龙”应用计划工作的通知》，其中明确选择石墨烯“一条龙”应用计划，包括石墨烯储能正极材料、石墨烯铝合金电缆相关产业链与锂电池相关项目。
近年来，无论是高强度塑料、纺织纤维材料，还是柔性电子产品、石墨烯电池、传感器产品，以及对重金属污水的净化、在萃取技术中的应用等，石墨烯及石墨烯材料应用范围愈加广泛。因其优异的电学、光学、力学特性，石墨烯在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是最有可能取代硅的新型材料，已成为国内外研究的热点。
据了解，2004年研究学者将石墨烯从石墨中分离出来，并证实其可以以二维单层片状结构存在。经过进一步的研究分析，单层石墨烯可以在空气或真空中，在微型支架上形成一种褶皱结构，而且该结构抑制了石墨烯的热涨落，保持了结构稳定。该特殊结构使得石墨烯具备了优异的化学与物理性能，如高导电性与导热性。
但自石墨烯被发现以来，由于其制作工艺所需的严苛条件和昂贵的原料成本，其价格一直居高不下（每吨6.7～20万美元），而高质量石墨烯无论单层还是多层的工业规模制造和提纯都价格不菲。这对于制造发光二极管等小型器件来说问题不大，但对于大规模应用而言成本将大幅提高。而高产量的生产方法，如从大块矿物石墨中剥离石墨烯，则会产生多达50层的石墨烯片，这对大多数应用来说并不理想。
因此，石墨烯的大量应用需建立在石墨烯能够低成本、大尺寸与工业化生产的基础上。虽然石墨烯的制备方法与技术控制（如机械剥离法、化学气相沉积法、液相剥离法、外延生长法、切割碳管法等）日渐成熟，但仍存在产物杂质高、缺陷大、可加工性差等问题，生产工艺仍需不断改进与完善。
近日，美国莱斯大学研究人员在《自然》上宣称，可以将从食物残渣到汽车旧轮胎的任何含碳固体转化成储能材料石墨烯。现有技术只能生产极少量的“完美”石墨烯，而在实验室里这种新方法已经可以每天生产出几克近乎原始的石墨烯，研究人员正在进一步扩大其产能至每天数公斤。
早在2014年，莱斯大学研究人员发现，可以用激光击破一种叫做炭黑的无定形碳，从而制造出一种只有几层厚的纯石墨烯。短暂的脉冲将碳加热到3000K以上，使碳原子间的键断裂。当碳冷却后，它会聚合成最稳定的结构——石墨烯。但这种方法制备的石墨烯仍然很少，并且要消耗大量能量。
后来其他研究者通过电击一种材料，制造出了金属纳米颗粒，同时产生了同样短暂的热冲击波。得此启发，莱斯大学研究团队提出，是否可以用电击来加热碳源并产生石墨烯呢？为此，该团队研究人员在一个透明的玻璃瓶中放入一小块炭黑，并用400V的电压轰击了约200ms。实验一开始并未成功，但稍作调整后，就成功获得了一个明亮的黄白色闪光，这时瓶内的温度达到3000K左右。
图1 由各种碳源合成的FG
在这一过程中，当碳原子凝聚形成石墨烯时，它们并未像在石墨中那样有规律地堆积，而是一种涡轮态堆叠——石墨烯层以各种角度相互交错的石墨烯材料。当在水或其他溶剂中时，涡轮态堆叠的石墨烯每一层都能与加入的任何复合材料相互作用，这是一种理想的能够大批量使用的石墨烯。
图2 CB-FG的放大和应用
随着大量食物因变质而被丢弃，与日俱增的废弃垃圾已成为影响地球生态可持续发展的问题。该团队表示，通过在10ms内将含碳材料加热到3000K，可以将几乎所有碳源（包括废弃食品、塑料废料、石油焦、煤、木屑和生物炭的任何东西）大量转化成有价值的石墨烯薄片，称之为“闪蒸石墨烯”。该过程既快速又便宜，其成本比其他石墨烯制备方法要小得多。
莱斯大学研究人员还表示，在“闪蒸石墨烯”生产过程中，还会吸收CO2和CH4的温室气体作为原材料。因此通过这种方式生产石墨烯不仅能降低成本，也能降低对环境造成的污染。如将其混入用于粘结混凝土的水泥中，浓度在0.1%以下时，可将混凝土对环境的影响降低1/3。此外，该团队对“闪蒸石墨烯”所采用的加热技术进行了改进，比起目前在金属箔上进行化学气相沉积等技术，该方法能以更低的成本生产更多的石墨烯。