利用美国莱斯大学开发的技术，炭黑粉在一阵光和热中被转变为石墨烯。在10毫秒内，任何碳源都可以转变为这种值钱的二维材料——“闪蒸石墨烯技术”。 （图片来源：Jeff Fitlow/Rice University）
被转变为石墨烯的香蕉皮，能够帮助大幅降低使用混凝土和其它建材产生的环境影响。既然如此，不妨把废弃的塑料容器也扔进来试试。
由莱斯大学化学家James Tour的实验室研发的一种新方法能够将一切含碳材料转变为值钱的石墨烯薄片。这种方法既迅速又便宜，Tour表示，相较于其他石墨烯生产方式，“闪蒸石墨烯”技术仅耗费一小部分能源，就可以将一吨煤，食物残渣和塑料转变为石墨烯。
Tour认为：“这种方法意义重大。全球每年因腐败而扔掉的食物多达30%到40%，以及大量塑料垃圾，亦是一大世界难题。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《自然》中报道的，在10毫秒内将含碳材料加热到3000开尔文（约5000华氏度）可以制备闪蒸石墨烯。其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，“基于石墨烯目前每吨67,000到200,000美元的市场价，该方法前景广阔。”
Tour说道，只要在用于粘合混凝土的水泥中加入0.1%浓度的闪蒸石墨烯，就可以将其对环境的巨大影响降低三分之一。据报道，每年水泥生产中排放的二氧化碳大约占人类活动（总排放量）的8%。
利用美国莱斯大学科学家研发的技术，在一阵闪光中，炭黑被转变为石墨烯。这一可量产过程有望迅速将任何来源的碳转变为大量石墨烯。（图片来源：Jeff Fitlow/Rice University）
“利用石墨烯强化混凝土，便可减少建筑中混凝土的用量，并进一步降低生产和运输中的能耗。”Tour补充道，“本质上讲，我们捕获的是因填埋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，从而降低生产混凝土造成的二氧化碳排量。（因此）使用石墨烯是一个双赢的环境方案。”
论文合著者，莱斯大学土木与环境工程、材料科学和纳米工程副教授，同时也是C-Crete技术公司总裁的Rouzbeh Shahsavari表示：“变废为宝是循环经济的关键。在此（指Tour等人研发的方法），石墨烯作为一种二维模板和强化剂，能够调控水泥的水合作用及后续的强度生成。”
Tour继续说道，在过去，“石墨烯因价格昂贵而无法实现上述应用。闪蒸过程在帮助我们改善垃圾管理的同时，还将大幅降低生产成本。利用我们的方法，碳将被固定并不再进入大气。这一过程与莱斯（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以生产氢气和固体碳，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，并用于混凝土，沥青，建筑，汽车，制衣及更多行业。”
由莱斯大学研究生、（论文）第一作者Duy Luong在Tour的实验室研发的利用闪蒸焦耳热制备石墨烯的方法，改进了石墨烯的制备技术，以往使用从石墨剥离及在金属箔上的化学气相沉积法，这些老方法的经济及劳动成本更高。
更值得高兴的是，用上文方法制造出的是“涡轮层”石墨烯——层与层之间没有紧密堆叠并易于分离。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垛堆叠石墨烯，因为层与层之间牢牢吸引，很难分离开来。”
而涡轮层石墨烯就很容易分离开来，因为层间结合力非常小。在溶液或复合材料混合物中就能实现分离。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），并和主体复合材料相互作用。”
该实验室注意到，用过的咖啡渣能够被转变为纯净的单层石墨烯。
研究人员在测试了石墨烯增强混凝土和塑料后表示，石墨烯与塑料、金属、胶合板、混凝土或其他建筑材料形成复合材料将是闪蒸石墨烯的主要应用场景。
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表示：“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说道，闪蒸过程几乎不会产生多余热量，所有能量都被注入目标产物。他甚至表示，“反应结束数秒之后，你就可以将手指放在反应容器上。要知道，相较于我们之前生产石墨烯用的化学气相沉积炉，闪蒸的温度几乎是它的三倍；但在闪蒸过程中，所有热量都被集中到含碳材料上，周围的反应容器没有吸收任何能量。多余能量都以一道非常强的闪光释放出去，另外，由于没有用到任何溶液，这一过程非常清洁。”
当Luong首次启动小型设备，试图发现炭黑样本的新状态时，没有预料到会生成石墨烯。他表示：“一切始于我从《科学》上刊载的一篇论文中获悉利用焦耳热闪蒸技术能够制造金属的相变纳米颗粒。”然而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他们所说的可以产业化的生产方法，将垃圾转变为涡轮层石墨烯。（图片来源：Rouzbeh Shahsavari/C-Crete Group）
美国莱斯大学的研究人员及论文合著者Ksenia Bets已经开展了原子水平的仿真，并确定了温度是原材料迅速转变的要素。Bets表示：“我们从根本上加速了缓慢的地质作用，将碳转变为基态——石墨。在极高的温度中加速（反应），并在正确的时刻——石墨烯状态停止。”
Bets表示：“令人惊讶的是，在观察动力学方面出了名缓慢的前沿计算机模拟技术，却揭示了高温调节原子运动和转变的细节。”
Tour希望在未来两年内每天生产一千克（合2.2磅）闪蒸石墨烯，作为最近由美国能源部资助的煤炭转变项目的“龙头”。他补充道，“这将为煤炭提供一种出路，廉价地将其大规模转变为更高质量的建筑材料。”
作者：Mike Williams
翻译：张宇哲
审校：董子晨曦
引进来源：莱斯大学
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