科学家找到了将垃圾瞬间“变废为宝”的奇妙方法

想象一下我们每天所丢弃的垃圾，从餐厨食品废物到塑料包装垃圾，既失去使用价值又难以再生利用，越来越多，同时正给人类带来越来越严重的弊端与危害。

 

现在，科学家们找到了将这些垃圾在不到一秒钟的时间里，瞬间就可以“变废为宝”的奇妙方法。这一科技成果将极大地改变人类生活环境。这一重大环保科技的研究论文，发表在最新一期的《自然》杂志上。

 

美国得克萨斯州赖斯大学的一组研究人员，发现了通过将垃圾的碳基材料转化为石墨烯的工艺，科学家们找到了在不到一秒钟的时间里就可以将此“变废为宝”的方法。

 

石墨烯（Graphene）是一种由碳原子组成的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯从前被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

 

 

石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，几乎是完全透明，只吸收2.3%的光；导热系数高于金刚石，常温下其电子迁移率又比硅晶体高，而电阻率比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料。由于它的电阻率极低，电子的移动速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。石墨烯是一种透明、良好的导体，适合用来制造透明触控萤幕、光板、以及太阳能电池。石墨烯另一个宝贵特性，是能够在常温下观察到量子霍尔效应。

 

 

石墨烯是是已知宇宙中最坚固的材料之一，拥有200倍左右的钢强度、惊人的柔韧性以及许多其他不寻常的特性和能力。但由于制造昂贵，直到现在，石墨烯在工业应用中一直受到限制。少量的石墨烯可以增强包括混凝土、金属、塑料、沥青、建筑物、汽车、衣服（如防弹服）、家居等在内的材料的性能。所以，石墨烯是一种具有各种有价值应用前景的全方位的、宝贵的奇迹材料。

 

在中世纪的欧洲，炼金术士竭尽全力幻想将贱金属转变为所谓的“贵金属”，例如黄金。现在，莱斯大学的科学家们开发出的这一科技，被称之为真正的“21世纪炼金术”。

 

科学家们是如何瞬间就可以将无用的各种垃圾变成为了如此宝贵的石墨烯材料呢？这得益于一种将碳基材料转化为石墨烯的闪蒸加热工艺方法。碳基材料，指任何具有碳含量的材料，比如食物垃圾、塑料垃圾、石油焦炭、煤炭、木材屑、废橡胶轮胎和生物炭等等。目前石墨烯的商业价格为每吨67,000至200,000美元，从此就不难看出这种工艺的前景看起来非常好。

 

 

这种石墨烯的闪蒸加热制造工艺方法的关键是温度和时间。在这项研究中，科学家通过将碳基材料加热到3000K开氏温度（约为2726摄氏度），在短短10毫秒内的闪蒸过程里就可以生成石墨烯薄片，所以科学家们称之为“闪速石墨烯”（flashgraphene）。这种“闪速石墨烯”技术既快速又便宜，能够将一吨煤、食物残渣或塑料转化为石墨烯，而成本仅为其他批量石墨烯生产方法所用成本的一极小部分。

 

这种闪蒸加热过程几乎不会耗费多余的热量，几乎将其所有能量都转移到目标中。这比以前用来制造石墨烯的化学气相沉积炉效率高出近三倍。在闪蒸过程中，热量集中在碳材料中，而周围的反应器中则没有热量。所有多余的能量都以光，非常明亮的闪光形式散发出来，并且因为没有任何溶剂，所以这是一个超级清洁的过程。

 

 

将材料放在两个电极之间，并用短脉冲发射加热材料，同时破坏其化学键。从而使非碳元素消失，而其余碳原子转化为石墨烯。这从本质上加快了碳演化成石墨基态的缓慢的转化过程。由于热尖峰而大大加速，材料在石墨烯阶段的适当时刻停止了。

 

这一研究成果将对环境产生重大的积极影响，仅向混凝土中添加0.02％的闪光石墨烯可以使其强度提高35％。在保持相同水平的结构完整性的同时，可以使用更少的混凝土。据统计，水泥生产每年排放的二氧化碳量高达人造二氧化碳的百分之八。

 

 

通过用石墨烯增强混凝土，可以减少建筑用混凝土的数量，从而降低制造成本和运输成本。这项技术本质上是在捕获二氧化碳和甲烷之类的温室气体，将这些碳转化为石墨烯，并将该石墨烯添加到混凝土中，从而减少混凝土生产中产生的二氧化碳量。所以是一种双赢的极为理想的环境方案。

 

这一研究成果还为煤炭提供了一种新用途，无需燃烧它，利用原本可以填埋的材料，可以转化本来可以分解的生物质，可以使用今天所用的昂贵材料减少，而所有这些将减少我们的碳足迹并降低温室气体排放。

 

该工艺生产出的所谓“湍流型”石墨烯，其错层易于分离，与更常见的A-B堆叠石墨烯相比，它更易于分离和与材料结合。通过其他工艺（例如石墨剥落）制成的A-B堆叠石墨烯很难拉开。由于“湍流型”石墨烯层间的粘合力要低得多，所以层状石墨烯更容易加工。闪速石墨烯可能会成为未来的主要市场，该研究团队已在测试使用石墨烯增强的混凝土和塑料，希望在两年内扩大规模每天制造更多的闪速石墨烯。

 

参考：Luong et al. Gram-scale bottom-up flash graphene synthesis. Nature (2020).