石墨烯废料「石墨烯可以回收重复利用吗」

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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sp²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）。

图片来源：Luong et al., Nature, 2020(577), 647-651

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。

图片来源：www.universalmatter.com

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。