成果简介
闪焦耳加热（FJH）方法利用电脉冲在几毫秒到几秒钟内将许多碳原料转化为石墨烯。这为将煤炭和塑料废料等低价值或负价值资源加工成高价石墨烯提供了机会。本文，莱斯大学James M. Tour等研究人员展示了一种实验室规模的自动化FJH系统，该系统可在1.5小时内从煤基冶金焦炭（MC）中合成1.1千克湍流闪长石墨烯。该工艺基于使用电脉冲宽度调制系统对每批5.7克MC进行自动转换，从而将MC自下而上地转化为闪长石墨烯。然后，我们通过生命周期评估和技术经济评估，将该方法与其他两种可扩展的石墨烯合成技术进行了比较。
图文导读
图 1. a) 使用 FJH 工艺进行碳材料转化的头两年中生产率的提高。b) 总电容为 0.624 F、额定直流电压为 500 V、每批可闪蒸 10 g MC 的放大闪蒸系统：b2: 控制电容器组同时放电的开关控制器。b3: 触发闪蒸系统的开关。b4: 通过提高时间常数略微减慢放电速度的电感器。b5: 闪蒸室，用于控制样品放气。c) 自动化系统每周期可闪蒸 5.7克 MC，重新装载新样品，并为电容器组充电，整个过程约 20 秒。c1: 在闪蒸前盛放装有 MC 的石英管反应容器的料仓。c5: 用来收集闪蒸样品的水盆。c6: 装载和卸载系统的控制器。c7: 与位于图 1b 中对面罩内的 0.624 F 电容器组的连接。c8: 用于冷却反应容器的空气软管，以减轻 3D 打印塑料闪蒸支架的熔化。
图2。a) 330v直流闪光灯与330v PWM闪光灯的电流分布图。PWM闪光的脉冲序列在插图中显示为单个脉冲被划分为占空比以减少平均使用的功率。b)使用Micro-Epsilon CTRM1H1SF100-C3高温计测量的相同直流和PWM闪光的温度分布图。
图 3. a) 不同石墨烯产品（包括商用石墨烯纳米片 (GNP)、直流闪蒸产生的碳黑衍生闪蒸石墨烯 (CB-FG)、未调制直流闪蒸产生的冶金焦炭衍生闪蒸石墨烯 (MC-FG) 和脉宽调制产生的冶金焦炭衍生闪蒸石墨烯 (PWM-MC-FG)）的 FG 的 D 和 G 拉曼波段强度之比。b) 不同碳原料的 2D 和 G 拉曼带强度比的比较。D 拉曼峰与 G 拉曼峰的振幅比与石墨烯薄片尺寸成反比。c) 比较每种原料的拉曼图。每个样品 100 次扫描的标准偏差以主线周围的阴影区域表示。扫描电子显微镜 (SEM) 和 X 射线衍射 (XRD) 分析也表明石墨烯质量很高（图 S9-S10）。
图 4. a) 在 370 V 电压下使用 PWM 闪蒸条件制备的 5.7 克 MC 原料的 FG 浓度 UV-Vis 分散图，与相同能量/质量比下闪蒸的 PWM-CB-FG 相比。FG 分散液是在 1%的 Pluronic (F-127) 水溶液中制备的，随后进行了水超声处理。MC-FG 因其表面积较低而分散性较差，而 PWM-CB-FG 的分散性则优于商用石墨烯。
图5。a)用石墨剥落法生产石墨烯的两种不同的可伸缩方法与鳞片法生产石墨烯的生命周期评估结果的比较。b)比较相同过程的技术经济评价结果。
小结
总之，PWM的实现增强了对FJH系统电容器组放电的控制。这允许在FG合成过程中控制加热剖面，使闪光能够围绕单个原料进行优化。一致性的提高，PWM允许自动化系统在石墨烯质量没有显著变化的情况下执行连续闪光。此外，放大可以减少FJH过程中的电力需求。
这些创新使闪光焦耳加热成为一种成本更低、更节能的可扩展石墨烯合成方法。
文献：10.26434/chemrxiv-2023-7z1s2
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