中國粉體網(wǎng)訊 廢舊橡膠輪胎可以“閃”變石墨烯？一種“點石成金”的新工藝，讓全球每年被廢棄的8億條輪胎有可能成為“寶貝”。
近日，美國萊斯大學(xué)教授JamesM.Tour團隊在《碳》上發(fā)文稱，他們進一步優(yōu)化閃蒸加熱工藝(FJH)，可以從廢舊橡膠輪胎中快速提取出石墨烯，并用于混凝土增強。這項工藝可瞬間達到3000度以上高溫，實現(xiàn)炭黑、煤炭、焦炭、咖啡等石墨化。該團隊去年就開發(fā)了閃蒸加熱工藝，研究成果發(fā)表于《自然》。
“利用閃蒸加熱工藝制備石墨烯，是廢舊橡膠再利用的另一個途徑。但對于這種閃蒸石墨烯，是否真正能在多個領(lǐng)域應(yīng)用，仍需產(chǎn)業(yè)界驗證�！�
南京大學(xué)物理學(xué)院教授高力波對《中國科學(xué)報》表示，“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(zhì)。”
從石墨化到“閃蒸”
“利用超高溫環(huán)境將高碳含量材料變?yōu)槭边@一原理，對于從事材料制備研究的人來說并不陌生，即石墨化工藝。
“該工藝是利用了碳原子的sp2化學(xué)鍵，是碳材料所有化學(xué)鍵中最穩(wěn)定的原理�！备吡Σㄏ颉吨袊茖W(xué)報》介紹道，在高溫環(huán)境下，所有碳原子都傾向于轉(zhuǎn)變成石墨結(jié)構(gòu)。如金剛石材料，普通壓強下高于2500℃就會轉(zhuǎn)變成石墨結(jié)構(gòu)。
實際上，無論是從原理上還是從實踐中，高力波踏足碳材料研究領(lǐng)域時，就已獲悉可將廢舊輪胎等變成石墨結(jié)構(gòu)的材料。但唯一難以突破的是，如何實現(xiàn)這種高溫環(huán)境，即新型的制備工藝。
早在2011年，Tour就帶領(lǐng)團隊嘗試利用各種高含碳量有機物，采用傳統(tǒng)管式爐體進行石墨烯制備，爐體溫度一般在1000℃~1200℃。然而，這種方法制備的石墨烯，盡管晶體質(zhì)量較好，但產(chǎn)率較低，不能滿足石墨烯在結(jié)構(gòu)材料方面的應(yīng)用。到2020年，Tour團隊終于取得重大突破，即開發(fā)了閃蒸加熱工藝。
“由于石墨化后的產(chǎn)物大都是少數(shù)原子層，即5層以內(nèi)居多，也可以稱之為石墨烯�！备吡Σㄕf。
“這種方法類似于30年前制備納米碳材料的電弧法。”他進一步介紹，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(qū)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，新型制備工藝的主要開發(fā)者Tour，則跟隨富勒烯發(fā)現(xiàn)者之一、諾貝爾化學(xué)獎得主Richard Smalley從事過相關(guān)研究。
“電弧法也報道過可制備石墨烯，只是產(chǎn)率較低�！备吡Σㄕf，相比于電弧法所需的真空環(huán)境，閃蒸加熱工藝簡化了反應(yīng)環(huán)境，采用更簡便的大氣壓環(huán)境，電極采用銅電極，反應(yīng)原料放置在電極中央。
這種工藝也不難理解�！叭绻褂眠^熨斗，那么就會看到焦耳加熱的作用。”中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所研究員陳成猛在接受《中國科學(xué)報》采訪時介紹，當電流通過導(dǎo)電材料如鐵金屬時，會迅速產(chǎn)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(FG)，層層堆疊的閃蒸石墨烯表現(xiàn)出渦輪層堆疊。
不過，高力波同時強調(diào)，該工藝不適用于作為芯片級的高品質(zhì)石墨烯薄膜樣品的制備。
變廢為寶的另一途徑
Tour團隊在《自然》中發(fā)布的研究成果，原料以粉體居多，意味著這些原料可以很容易在兩個電極之間放置，且電極之間產(chǎn)生的火花可有效滲透粉體，達到均勻加熱的目的。但此次他們在《碳》發(fā)布的研究成果中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，即電火花不容易穿透輪胎�！备吡Σǚ治龅�，對于碳化廢舊輪胎，Tour團隊優(yōu)化的工藝主要是延長電火花的脈沖時間。對于粉體原料，該團隊報道的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。“如果將一部分用于生產(chǎn)石墨烯，可使數(shù)百萬輪胎得以有效利用�！�
就我國而言，根據(jù)公安部統(tǒng)計，2020年我國機動車保有量達3.72億輛，其中汽車2.81億輛。隨著汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，我國每年產(chǎn)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(dǎo)致的環(huán)境污染、資源浪費、安全隱患等問題愈發(fā)突出。
山東省工業(yè)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(chǎn)再生橡膠、生產(chǎn)橡膠粉、熱裂解等。
其實，廢舊輪胎變石墨烯的研究成果也有報道。如在2019年，華中科技大學(xué)教授李會巧課題組與浙江農(nóng)林大學(xué)教授孫慶豐課題組等合作，利用堿輔助誘導(dǎo)碳化將廢舊輪胎轉(zhuǎn)化為3D石墨烯，使用的方法是將傳統(tǒng)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個途徑�！备吡Σㄕf。
然而，碳化廢舊輪胎時，延長火花脈沖時間對于生產(chǎn)設(shè)備的改良、安全性的升級等，都需要較大改進。而在Tour團隊最新研究成果中，“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(guān)注的另一個問題是，每年廢舊輪胎量十分巨大，能否實現(xiàn)低成本、高收率、大批量的轉(zhuǎn)化，真正實現(xiàn)再生利用，是實驗室技術(shù)走向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用必須要面對的問題。
應(yīng)用前景被看好
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較高石墨結(jié)晶度的粉體石墨烯�！斑@種石墨烯在導(dǎo)熱、導(dǎo)電等方面，能夠接近于本征石墨烯。其應(yīng)用與目前采用化學(xué)剝離方法獲得的石墨烯，具有相似的應(yīng)用前景。”高力波說。
他進一步解釋道，目前制備石墨烯的方法即傳統(tǒng)生產(chǎn)方法，主要對標在儲能、導(dǎo)熱等方面，應(yīng)用的都是化學(xué)剝離法，石墨烯產(chǎn)物以粉體形式存在;對標在未來芯片領(lǐng)域應(yīng)用的石墨烯，主要采用化學(xué)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(yōu)的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性及力學(xué)增強效果，且工藝相對更加環(huán)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(zhì)特性，有更適合的應(yīng)用場景，那么基于廢舊橡膠輪胎生產(chǎn)的石墨烯將會展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿Α！标惓擅透嬖V《中國科學(xué)報》。
他進一步向記者計算，1度電=1千瓦時=1000W*3600S=3600千焦耳，粗略估算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�！耙虼耍摲椒ǐ@得的石墨烯成本低廉，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(fù)合，廣泛用于復(fù)合材料�！�
最新論文也稱，廢舊輪胎轉(zhuǎn)化成的石墨烯可用于增強混凝土力學(xué)性能。
混凝土是地球上最常用的資源之一，全世界每年生產(chǎn)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就消除一部分排放物。”Tour表示。
早在石墨烯之前，炭纖維和碳納米管都已報道過可以添加到混凝土中增加其韌性，并可增強其耐久性能�！袄瞄W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�！备吡Σㄍ瑫r強調(diào)，最終效果或許還需要更多研究或工業(yè)界的標準化。
(中國粉體網(wǎng)編輯整理/昧光)
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