美国莱斯大学发现沥青转化石墨烯的合成工艺

美国莱斯大学的材料科学和纳米工程助理研究教授拉赫曼与他的合作者，通过独特的闪光焦耳加热法（FJH）工艺，将富含碳元素的沥青废料转化为有用且高价值的石墨烯。

闪光焦耳转变方法的论文11月18日发表在《科学》杂志上，获得美国空军科学研究办公室、美国陆军工程兵团和美国国家实验室的资助支持。

论文提到，石油原油在精炼过程会产生大量的沥青质，目前估计全球大约有1至2万亿桶。但沥青在处理和生产过程中会带来复杂的问题，一般都被当作燃料再利用，或被丢弃到尾矿池（矿渣堆）、垃圾掩埋场和变成柏油路，但丢弃和燃烧处理不当容易造成环境破坏。

研究人员用闪光焦耳加热法（FJH），将低价值的沥青转化为高价值的衍生品—闪光石墨烯（AFG）。这种方法能够在1秒左右生产出闪光石墨烯（几层石墨烯叠加），减少了许多能量和二氧化碳的消耗。

闪光焦耳加热法（FJH）是在两个铜电极之间的石英管内，依次使用185V、250V、250V和370V电压、频率为1000Hz的可变脉冲对沥青质进行电击，产生出近3000度的极高温，让沥青质转变成AFG。

为了测试其机械性质，研究人员将环氧树脂和1 wt%（重量百分浓度）、3 wt%、5 wt%的AFG进行混合，并与纯AFG进行拉伸强度、杨氏模量和韧性的机械性能进行比较。结果显示，环氧树脂和1%的AFG混合表现出来的机械性最为良好，因为拉伸强度增加了37%，杨氏模量增加了12%，韧性增加了75%。

另外，他们为了观察环氧树脂-AFG纳米复合材料的热性质，用白光射进纯环氧树脂和环氧树脂-AFG奈米复合材料，并用热红外（IR）相机观测材料温度上升情况。

结果显示，纯环氧树脂的感应热集中在较小的区域，且温度上升比较多，但环氧树脂-AFG纳米复合材料热感应比较分散，温度也上升比较小。他们还发现，AFG含量越高温度上升越少，这也证明环氧树脂-AFG纳米复合材料热传导，比纯环氧树脂来得更好。

研究人员还将环氧树脂-AFG做耐腐蚀测试，他们将其包裹在低碳钢（MS）上作为腐蚀保护层，发现环氧树脂-AFG中AFG含量10 wt%比纯环氧树脂和其它wt%的纳米复合材料保护效果更好。

最后，他们使用环氧树脂-AFG奈米复合材料去做3D打印，打印出来的成品放置室温48小时，且将物体持续加热1小时至130°C都不变形，试验结果相当成功。

试验证明，与一般的纯环氧树脂聚合物相比，环氧树脂-AFG纳米复合材料具有优异的机械、热传导和耐腐蚀性，且能作为3D打印材料。

与拉赫曼一起工作的萨迪将石墨烯混合到复合材料中，然后混合到用于3D打印机的聚合物墨水中。他对莱斯大学新闻室表示，“我们已经优化了其3D打印墨水，证明它是可打印的。”

另外，在沥青质使用FJH工艺生产AFG的过程中，产生的污染较少，且生产出的高价值同素异形体石墨烯可应用到工业上。

拉赫曼对莱斯大学新闻室表示，“沥青质目前是石油行业的一大难题，我认为石油行业会对此很感兴趣，因为这是一种可持续的方法，可以减少燃烧沥青质产生的碳排放。”

另外，该实验报告的化学家詹姆斯？图尔团队认为，闪光焦耳加热法对沥青质的处理方法与对其它原料（包括塑料、电子垃圾、轮胎、煤粉煤灰、汽车零件）处理起来一样有效，研究人员下一步将用这些石墨烯制造更多东西。