Nature：一秒钟合成石墨烯，废塑料、废食物、石油焦炭都可以做原料？

和所有纳米材料一样，石墨烯的实用化依然面临着低成本、高品质、规模化合成手段的制约。目前号称能实现规模化制备石墨烯的方法大多采用液相剥离的“自上而下”策略（“Top-Down”），包括高能混合、剪切、超声以及电化学处理等各种手段。这种工艺普面临的关键问题在于：1）需要大量溶剂；2）石墨烯质量难以保证，纯度和产率不高。

制备石墨烯的另一条途径称为“自下而上”策略（“Bottom-up”），主要包括CVD和有机合成两大类。这两类方法可以到质量较高的石墨烯，但是要么产量太少，要么会产生大量缺陷。

图1. 液相剥离生产石墨烯示意图丨Nature

正式因为如此，市面上能够规模化制备的所谓“石墨烯”，大多不是真的石墨烯；而顶级学术论文中报道的具有优异性能的石墨烯，因为难以批量提供而难以在工业上得到重新。学术研究的浮躁，加上资本市场的加持，使得原本无上荣光的石墨烯，越来越多地被人诟病。

2018年9月，新加坡国立大学Antonio H. Castro Neto团队进行的一项有关市面上商品化石墨烯材料的调查报告。报告指出，由于所采用的商业化石墨烯品质较低，大量石墨烯相关研究的有效性可能被低估。他们发现，市售的60种石墨烯产品的关键材料指标如尺寸、结构完整性、纯度等统计分布差异巨大。令人震惊的是，在所有产品中每种产品只有不到10%满足石墨烯片层低于10层的标准。被测试的产品中没有一种含有超过50%的石墨烯，而且很多产品受到来自于生产过程中所用化学品的污染。对此，Nature杂志发表了一篇题为“The war on fake graphene”的观点文章，对真假石墨烯进行了严肃讨论。

图2. 市售商业石墨烯系统调数据

Kauling, A. P. et al. Adv. Mater. 30, 1803784 (2018).

https://doi.org/10.1002%2Fadma.201803784

2019年5月，北京大学刘忠范院士和彭海琳教授团队在Nature Materials发表评论文章，系统指出了石墨烯工业化在合成领域面临的主要挑战。文章指出，石墨烯成为商品，必须要整体考虑5个基本条件：品质、成本、可重复性、工艺操作简便性以及安全性。而学术研究往往只考虑了其中的少数几点，这就使得石墨烯从实验室走向中试，再走向工厂的过程变得困难重重。

图3. 石墨烯及其衍生物商品

Lin, L., Peng, H. & Liu, Z. Synthesis challenges for graphene industry. Nat. Mater. 18, 520–524 (2019).

https://www.nature.com/articles/s41563-019-0341-4

因此，开发一种真正能够大规模生产、低成本、高品质生产石墨烯的技术，是石墨烯找回荣誉，在社会生活各个领域能够真正广泛用起来，在国防军工和光电器件等关键领域实现杀手锏突破的重中之重。

2020年1月28日，美国莱斯大学Rouzbeh Shahsavari, Boris I.Yakobson 和James M. Tour等人在Nature杂志在线报道了最新研究成果，提出了一种低成本、高品质、规模化合成石墨烯的新技术。

这项称为快速焦耳热的技术，近年来在纳米材料合成领域非常活跃。本文中，通过高压放电，在100 ms内达到3000K的高温，只需要不到一秒钟的时间，就可以将煤、石油焦炭、生物炭、炭黑、废弃食品、橡胶轮胎、塑料废料等等富含碳的廉价原料转变为石墨烯，这种石墨烯被作者称为flash graphene, FG，我们姑且将其翻译为：快闪石墨烯。

这种“快闪石墨烯”的合成不需要使用反应炉，不需要使用溶剂或者反应性气体，产量完全取决于原料中碳的含量。如果使用含碳量较高的原料，譬如炭黑，无烟煤或煅烧焦炭，石墨烯收率可以达到80-90%，不需要经过纯化，碳纯度就超过99%。

图4. 各种碳源制备的FG石墨烯

拉曼光谱分析表明，“快闪石墨烯”的D带强度较低或者不存在，表明其产品品质之高，可媲美当前已报道的最佳石墨烯产品，并证明了“快闪石墨烯”层间呈现出近乎无序的涡轮状排列。这种无序的排列，极大地促进了石墨烯片层在复合材料混合过程中的快速剥离。

如果只考虑核心工艺的能耗，这种“快闪石墨烯”的制备过程中所使用的电能为7.2 kJ/g，这使得石墨烯在塑料、金属、木材、混凝土等建筑材料里的大量应用成为可能。不过，这个策略所涉及的设备涉及到高电压和超高温，是否适合工业应用，还值得进一步探讨。总之，这也不失为一种新的思路。

图5. FG石墨烯的克级制备

参考文献：

DuyX. Luong et al. Gram-scale bottom-up flash graphene synthesis. Nature 2020.

https://www.nature.com/articles/s41586-020-1938-0