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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，可以從廢舊橡膠輪胎中快速提取石墨烯，并用于加固混凝土。這項工藝可瞬間達到3000℃以上高溫，實現炭黑、煤炭、焦炭、咖啡等石墨化。“
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，可以從廢舊橡膠輪胎中快速提取石墨烯，并用于加固混凝土。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。但這種閃蒸石墨烯，是否能真正在多個領域應用，仍需產業界驗證。”南京大學物理學院教授高力波對《中國科學報》說，“一旦驗證有效，該方法還可適用于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”，對于從事材料制備研究的人來說并不陌生，即石墨化工藝。 “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《中國科學報》介紹，在高溫環境下，所有碳原子都傾向于轉變成石墨結構。如普通壓強下，金剛石材料高于2500℃就會轉變成石墨結構。 實際上，無論從原理還是實踐中，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團隊終于取得重大突破，開發出閃蒸加熱工藝，并在《自然》發表。 “石墨化后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，“類似于30年前制備納米碳材料的電弧法。”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，相比于電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央。 這種工藝也不難理解。“如果使用過熨斗，那么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，該工藝不適用于芯片級高品質石墨烯薄膜樣品的制備。 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。 “雖然廢舊輪胎碳含量足夠，但它們是塊體，不易于變成粉體，電火花不容易穿透輪胎。”高力波分析道，對于碳化廢舊輪胎，Tour團隊優化的工藝主要延長了電火花的脈沖時間。對于粉體原料，脈沖時間一般在毫秒級，而對于廢舊輪胎，則接近秒級。 Tour表示，全球每年丟棄的8億條輪胎，大多被用作燃料或被磨碎用于其他用途，其中16%的輪胎被填埋。“如果用于生產石墨烯，可使數百萬輪胎得以有效利用。” 就我國而言，根據公安部統計，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污染、資源浪費、安全隱患等問題愈發突出。 山東省工業和信息化研究院高級工程師潘勁松介紹，廢舊輪胎綜合利用方式包括舊輪胎翻新、生產再生橡膠、生產橡膠粉、熱裂解等。 對于廢舊輪胎變石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膠輪胎，需要更長的電火花脈沖時間”。 陳成猛關注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。 應用前景看好 無論原料是煤炭還是廢舊橡膠輪胎，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、導電等方面，能夠接近于本征石墨烯。其應用與目前采用化學剝離方法獲得的石墨烯，具有相似的前景。”高力波說。 他進一步解釋道，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，主要采用化學氣相沉積法生長，碳化硅外延法也在同時推進。 研究證實，閃蒸石墨烯具有更優的導電性、導熱性及力學增強效果，且工藝更加環保和低能耗。 “如果通過這種方法制備的石墨烯具有新的品質特性，有更適合的應用場景，那么基于廢舊橡膠輪胎生產的石墨烯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。 “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、混凝土和其他建筑材料進行復合，廣泛用于復合材料。”陳成猛說。 最新論文還提到，廢舊輪胎轉化成的石墨烯可用于增強混凝土力學性能。全世界每年生產約260億噸混凝土，其排放的二氧化碳占全球排放總量的9%左右。“如果在道路、建筑物和橋梁中使用較少的混凝土，那么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，并可增強耐久性能。“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化。 原標題;“閃蒸”廢輪胎 “秒變”石墨烯
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