石墨烯作为一种具有卓越电子、热传导性和机械强度的二维材料，自2004年被发现以来，其在科学和工程领域的应用潜力一直备受关注。然而，高质量石墨烯的制备往往伴随着高昂的成本和复杂的工艺，限制了其在工业领域的广泛应用。传统的石墨烯制备方法，如化学气相沉积和机械剥离，不仅成本昂贵，而且难以实现大规模生产。为了克服这些挑战，研究者们一直在探索更为经济、高效的石墨烯制备技术。
文章简介
2023年，莱斯大学James M. Tour教授研究团队在《Small Methods 》期刊发表题为“Automated Laboratory Kilogram-Scale Graphene Production from Coal”的论文。本研究采用了一种创新的闪蒸焦耳加热（Flash Joule Heating, FJH）技术，实现了从煤炭到石墨烯的高效转化。FJH技术通过在毫秒至秒级的时间内，利用电脉冲快速加热碳材料，从而合成涡轮层状的闪蒸石墨烯（Flash Graphene, FG）。与传统的石墨烯制备方法相比，FJH技术具有操作简便、成本低廉、易于规模化生产等显著优势。研究团队成功开发了一种实验室规模的自动化FJH系统，能够在1.5小时内合成1.1公斤的涡轮层状FG，这一突破性进展为石墨烯的大规模应用铺平了道路。
图文导读
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1 展示了FJH过程的生产率增长趋势，以及实验室规模的自动化FJH系统。该系统能够在每次循环中自动加载反应器、充电、闪光并卸载反应容器，大幅提高了生产效率。
图2 通过脉冲宽度调制（PWM）技术，研究者们能够更精细地控制电容器的放电过程，优化FG的合成条件。与传统的直流闪光相比，PWM闪光在保持相同能量输入的同时，显著降低了反应容器的表面温度，减少了设备损坏的风险。
图3 利用拉曼光谱对不同来源的FG进行了质量评估。结果显示，通过FJH技术合成的FG具有较低的缺陷密度和较高的石墨烯转换率，与商业石墨烯纳米片相比具有更高的质量。
图4 展示了FG的水-表面活性剂分散性测试结果，以及透射电子显微镜（TEM）图像。这些结果进一步证实了FJH合成的FG具有优异的晶体质量和良好的分散性。
图5 对比了不同反应规模下的FG质量，证明了随着反应规模的增加，所需的能量输入降低，同时保持了FG的高质量。
图6 提供了FJH技术与其他两种可规模化石墨烯制备方法（石墨剥离和氧化石墨还原）的生命周期评估和技术经济评估结果。评估显示，FJH技术在能源消耗、成本和环境影响方面具有显著优势。
总结展望
本研究通过FJH技术实现了从煤炭到高质量FG的高效转化，不仅提高了石墨烯的生产效率，还显著降低了成本。自动化系统的引入进一步推动了FJH技术的规模化生产能力。此外，通过PWM技术的应用，能够更精确地控制FG的合成过程，提高了产品质量的一致性。生命周期评估和技术经济评估结果表明，FJH技术在能源效率和成本效益方面具有显著优势，有望在工业领域得到广泛应用。展望未来，FJH技术有望进一步优化，实现更大规模的石墨烯生产，推动石墨烯相关应用的发展。
文章链接
Lucas Eddy; Duy Xuan Luong; Jacob L Beckham; Kevin M Wyss; Tyler J Cooksey; Phelecia Scotland; Chi Hun Choi; Weiyin Chen; Paul A Advincula; Zhiyong Zhang; Vladimir Mancevski; Carter Kittrell; Yimo Han; James M Tour. Automated Laboratory Kilogram‐Scale Graphene Production from Coal. Small Methods , 2024. DOI: 10.1002/smtd.202301144
本文来自高温热冲击焦耳热超快合成，本文观点不代表石墨烯网立场，转载请联系原作者。
