休斯顿—（2022年11月18日）—沥青质是原油生产的副产品，是一种具有潜力的废料。莱斯大学的科学家们决心通过将富含碳的资源转化为有用的石墨烯来找到它。
材料科学和纳米工程助理研究教授Muhammad Rahman正在采用莱斯大学独特的闪焦耳加热工艺，将沥青质立即转化为涡轮层（松散排列）石墨烯，并将其混合到复合材料中，用于热、防腐蚀和3D打印应用。
该工艺充分利用了燃烧的材料，否则可作为燃料重新使用或丢弃到尾矿池和垃圾填埋场。使用世界上超过1万亿桶沥青质的至少部分储量作为石墨烯的原料，对环境也有好处。
莱斯大学的研究人员正在通过将沥青质转化为对复合材料有用的石墨烯来追求沥青质的“可持续价值化”。
“沥青质是石油行业令人头疼的问题，我认为对此会有很多兴趣，”Rahman说，他将该过程描述为一种可扩展且可持续的方式来减少燃烧沥青质的碳排放。
Rahman是《Science Advances》论文的主要通讯作者，该论文由莱斯化学家James Tour共同领导，他的实验室开发了闪焦耳热，材料科学家Pulickel Ajayan和加拿大卡尔加里大学化学和石油工程助理教授Md Golam Kibria。
沥青质已经含有70%至80%的碳。莱斯大学实验室将其与约20%的炭黑相结合以增加导电性，并用电脉冲将其闪烁，在不到一秒钟的时间内将其转化为石墨烯。原料中的其他元素，包括氢气、氮气、氧气和硫，以气体的形式排出。
“我们试图将炭黑含量保持在尽可能低的水平，因为我们希望最大限度地利用沥青质，”Rahman说。
“政府一直在向石油行业施加压力，要求他们解决这个问题，”莱斯大学研究生和共同主要作者M.A.S.R. Saadi说。“有数十亿桶沥青质可用，所以我们开始研究这个项目，主要是看看我们是否可以制造碳纤维。这让我们想到也许我们应该尝试用闪焦耳热制造石墨烯。
研究人员确信Tour的工艺在沥青质上的效果与在各种其他原料上一样有效，包括塑料，电子废物，轮胎，煤粉煤灰甚至汽车零件，研究人员开始用他们的石墨烯制造东西。
与Rahman和Ajayan合作的Saadi将石墨烯混合到复合材料中，然后混合到3D打印机的聚合物墨水中。“我们已经优化了油墨流变学，以表明它是可印刷的，”他说，并指出油墨中混合的石墨烯不超过10%。他说，印刷品的机械测试即将到来。
莱斯大学的研究生Paul Advincula是Tour实验室的成员，是该论文的共同主要作者。合著者是莱斯大学的研究生Md Shajedul Hoque Thakur，Ali Khater，Jacob Beckham和Minghe Lou，本科生Aasha Zinke和博士后研究员Soumyabrata Roy;研究员Shabab Saad，校友Ali Shayesteh Zeraati，研究生Shariful Kibria Nabil和卡尔加里大学的博士后助理Md Abdullah Al Bari;南达科他州矿业与技术学院及其生物膜工程科学技术中心的二维材料研究生Sravani Bheemasetti和副教授Venkataramana Gadhamshetty;以及华盛顿大学研究助理Yiwen Zheng和机械工程助理教授Aniruddh Vashisth。
该研究由艾伯塔省碳纤维大挑战创新计划，空军科学研究办公室（FA9550-19-1-0296），美国陆军工程兵团（W912HZ-21-2-0050）和国家科学基金会（1849206，1920954）资助。
Sustainable valorization of asphaltenes via flash joule heating
DOI: 10.1126/sciadv.add3555
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