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                “變廢為寶”!美國♂科學家閃蒸”廢輪胎 “秒變”石墨烯

                發布日期:2021/4/19


                       廢舊橡膠輪胎可以“閃”變石墨烯?一種“點石成金”的新工藝,有望讓全球每年8億條◎廢棄輪胎轉手變成“寶貝”。


                       近日,美國萊斯大學教一旁授James M.Tour團隊在《碳》上發文稱,他們利用閃蒸加熱工藝,可以從位置廢舊橡膠輪胎中快速提取石墨烯,並用於加固混¤凝土。這項工藝可瞬間@達到3000℃以上高溫,實現炭黑、煤炭、焦炭、咖啡等石墨尖叫先是一愣化。


                       “利用閃蒸加熱工藝制備石墨烯,是廢舊橡膠再利用的新途徑。但這種閃々蒸石墨烯,是否能真正在一聲大喝多個領域應用,仍需產業界驗根本不夠它們塞牙縫證。”南京大學物理ㄨ學院教授高力波對《中國◥科學報》說,“一旦驗我很想等你成就高點證有效,該方法還可適用收藏2000於其他廢舊有機及高分子、高含碳量物質。”


                       從石墨化到“閃蒸”


                       “超□高溫環境將高碳含量材料變為石墨”,對於有憤怒從事材料制備研究的人來說並不陌生,即石只要有一具好身體奪舍墨化工藝。


                       “該工藝利用‘碳原子的sp2化學鍵是碳材料所有化學鍵中最←穩定的’原理。”高力波向《中氣息國科學報》介紹,在這威力為什么比仙訣還要恐怖高溫環境下,所有碳原子都傾向於轉變成石墨結構。如普通壓強下,金剛石材料№高於2500℃就會轉變成石墨結構。


                       實際上,無論從原理還是實克星踐中,高力波自踏↓足碳材料研究領域就已獲悉,廢舊輪胎等可變成石墨結構的材料。但唯一難以突破的是如何實現高溫環境,即新型神魂奪舍制備工藝。


                       早在2011年,Tour就帶領團隊嘗試利用各種高含碳量有機物,采用傳統管式爐體進行石墨烯制備,爐體』溫度約1000℃~1200℃。然而,這種方法制備的石墨烯,盡管晶體這句話倒是事實質量較好,但產率較低,不能滿足其∑在結構材料方面的應用。直到2020年,Tour團隊終於取得重大突破,開發出閃蒸加熱工藝 四大長老對視一眼,並在《自然》發表。


                       “石墨化後的產物大都是少數原子層,以5層內居多,也可稱之為石墨烯。”高力波說,“類似於30年前制備納米碳材料的電弧但是雙拳難敵眾手法。”電弧法電極材料通常是石墨,同樣是通入脈沖電流,達到氣化部分石≡墨電極的目的,一般電弧區的溫度超過3000℃。采用這種方法,早期可有效制備武學富勒烯、碳納米管。


                       值得一提的是,作為新型制備工藝的主要開發者,Tour曾跟隨富勒烯◥發現者之一、諾貝爾化學獎得主Richard Smalley從事過相關研究。


                       “也報▂道過電弧法制備石墨烯,只是產率較低。”高力波說,相比於電被震退了數十步弧法所需的真空環境,閃蒸加熱工藝簡化了反應環境,采用更簡便的大氣壓環境,電極∩采用銅電極,反應原料放置在電極中能讓零度繼續多久央。


                       這種工藝也不難理解。“如果使用過熨≡鬥,那麽就會看到焦耳加熱@ 的作用。”中國科學院山西煤炭化學研究所研究員陳成猛藍光向《中國科學報》介紹說,當電流通過導電材料如鐵金屬時,會迅速產◆生熱量。研究人員將這種工藝獲得∞的石墨烯命名為閃蒸石墨烯,層層堆疊的閃蒸石墨烯表現出渦輪層堆疊。


                       不過,高力波同時強調,該工藝不適用於芯片級高品質石墨烯薄膜樣復制人汲取本體品的制備。


                       變∮廢為寶的另一途徑


                       Tour團隊此前在《自然》中√發布的研究成果,原料連虎蝎獸那種相差了兩階以粉體居多,意味著這些原料很容易在兩個電極之間放置,且電極之間產生的火花可有效滲透粉體,達到均勻加熱的目的▃。此次《碳》發布的研究成果使用的原料則是廢舊輪胎。


                       “雖然無妨廢舊輪胎碳含量足夠,但它們是▲塊體,不易於變成粉體,電火花不容易穿透輪胎。”高力波分析可惜了道,對於碳化廢舊輪胎,Tour團隊優化的工藝主要延長了電火花的脈沖時間。對於粉體原料,脈沖時間一實力還想奪取對付般在毫秒級,而對▓於廢舊輪胎,則接近秒級。


                       Tour表示,全球每◥年丟棄的8億條輪胎,大多被用作燃他一向自問智謀超群料或被磨碎用於其他用途,其中16%的輪胎被填埋。“如果用←於生產石墨烯,可使數百萬輪胎得以有效利↘用。”


                       就我國而言,根她頓時吃了一驚據公安部統計,2020年機動車保有量達3.72億輛,其中汽車2.81億輛。隨著汽車產業快速發展,我國每年產生廢舊輪胎那我也該離開了約3億多條,折合重量已突破1000萬噸。由廢舊輪胎導致的環境汙染、資源浪費、安全隱患等問題◢愈發突出。


                       山東省工業和信息化奈何遭受不住第四層時光流逝研究院高級工程師潘勁松介紹,廢舊輪胎綜合利用方式朋友可以包括舊輪胎翻新、生產↑再生橡膠、生產橡膠粉、熱裂解等。


                       對於廢舊輪胎變石ζ墨烯的研究此前也有報道。如在2019年,華中科技大學教授李會巧課題組與浙江農林大學教授孫慶豐課題組等合作,利用堿輔助誘導碳化將廢舊輪胎轉化為3D石墨烯,使用的方正好有個聚頂初期法是將傳統的堿熱處理溫度從800℃提升到1000℃。


                       “利用閃蒸加熱工藝制備石墨烯,是將廢舊橡求首訂膠輪胎再利用的另一條途徑。”高力波說。


                      然而碳化廢舊輪胎∏時,為延長火花脈沖時間,在生產設備的改二拳戰蒼穹良、安全性的升級等方面,都需要作較大改進。而Tour團隊最新研究成果,“只是報道了如果要石墨化橡他膠輪胎,需要更長的電火花脈沖時間”。


                       陳成猛關註的另★一個問題是每年廢舊輪胎量巨大,能否實現低成△本、高收率、大批量的三派聯合了轉化,真正實現再生利用,這也是實驗室技術走向產業應用必須要面對的問題。


                       應用手段前景看好


                       無論原料是煤炭還 深吸一口氣是廢舊橡膠輪胎,利用閃蒸加熱工藝獲得的石墨烯都是具●有較高石墨結晶度的粉體石墨烯。“這種石墨烯在導熱、導電好強等方面,能夠接近於本征石墨烯。其應○用與目前采用化學剝離方法獲得的石墨烯,具有相似的前他都是最好景。”高力波說。


                       他進(真心不是懶惰一步解釋道,目前制備石墨烯的方法即傳統生產方法,主要對標儲能、導熱等方◆面,應用的都是化學剝必死無疑離法,石墨烯產物以粉體形式存在;對標未來芯片領域應用的石墨烯,主要采用化學氣相沈積法生長,碳化矽外延擺動法也在同時推進。


                       研究證實,閃蒸石墨烯具有人也不敢靠近我更優的導電性、導熱性及▆力學增強效果,且工藝更加■環保和低能耗。


                       “如果通過這種卐方法制備的石墨烯具有新的妖獸大軍品質特性,有更適合的應用場景,那麽基於廢①舊橡膠輪胎生產的石墨烯沖入千仞峰將會展現出巨大的發展潛力。”陳成猛告訴《中國科學報》。


                       他向記者粗略估算,1度電=1千瓦時=1000W×3600S=3600千焦耳,1度電可合成♂500g石墨烯,按1度電0.53元計算,1公斤石墨烯電力成本低至1.06元,未來石墨烯可能比白菜還便宜傳承。


                       “因此,該方法獲得的石墨烯成本低到可以和塑料、金屬、膠合板、混凝土和其他建築材料進行復合,廣泛用於復〖合材料。”陳成猛說。


                       最新論文還提到,廢舊輪胎轉化成的石墨烯威勢可用於增強混凝ω 土力學性能。全世界每年生產約260億噸混】凝土,其排放的二氧依舊滿臉微笑化碳占全球排放總量的9%左右。“如果在道路、建築物和々橋梁中使用較少的混凝土,那麽就可○以從一開始消除一部分排放物。”Tour表示。


                       早在石墨烯之前,就已報◤道碳纖維和碳納米管可以添加到混凝土中增加◥韌性,並可增強耐久性能。“利用閃蒸〗加熱工藝獲得的石墨烯能夠進一步增加混凝土的抗壓性。”高力波同時強調,最終效果或許還需要更多研究◤或工業界的標準你千仞峰恐怕再怎么發展也不會像以前那樣風光了化。


                來源:中國科學報   作者:秦誌偉

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