近日，印尼大学的Tomy Abuzairi研究员在《Nanomaterials 》上发表了题为“Sustainable Graphene Production: Flash Joule Heating Utilizing Pencil Graphite Precursors”的论文，探讨了利用铅笔芯作为前驱体，通过闪蒸焦耳加热（FJH）技术生产石墨烯的可行性。通过对不同硬度铅笔芯（6H、4B、14B）在不同电压下的处理，揭示了铅笔芯中石墨与粘土的比例对石墨烯质量、层数及缺陷密度的显著影响。
研究背景
1.传统石墨烯生产方法的挑战：传统石墨烯生产方法，如机械剥离、化学还原、化学气相沉积（CVD），虽然可以生产高质量的石墨烯，但在经济和环保方面面临问题。机械剥离方法产量有限且耗时耗力，化学还原使用有害化学物质，CVD需要高温且设备成本高，限制了其规模化生产。
2.闪蒸焦耳加热（FJH）技术的潜力：FJH 是一种新兴的高效石墨烯合成技术，能够通过高温迅速转换碳基材料为石墨烯。相比传统方法，FJH 技术不仅能有效解决石墨烯生产的经济和环保问题，还能够利用多种碳废料（如塑料、煤炭和生物质废料）进行转化，从而实现更高的环保效益和能源效率。
3.研究目标：本研究旨在通过使用铅笔芯作为前驱体，探索 FJH 技术在石墨烯合成中的应用。通过调整铅笔芯中的石墨与粘土比例，优化 FJH 工艺参数，进一步提高石墨烯的产量和质量。
研究方法
1.铅笔芯的选择：选择了三种不同硬度的铅笔芯（6H、4B、14B）作为实验材料。不同硬度的铅笔芯具有不同的石墨与粘土比例，这些比例可能会影响石墨烯的质量和产量。
2.闪蒸焦耳加热过程：实验在 0V、200V 和 400V 电压下进行，通过FJH技术对铅笔芯进行处理。使用拉曼光谱、电阻测量和显微镜分析来表征铅笔芯的结构变化。
3.实验表征工具：拉曼光谱用于分析样品的层数、缺陷密度和结构变化。电阻测量用于评估处理前后的电导性能，显微镜用于观察样品表面的形貌变化。
图1. 闪蒸焦耳加热装置图
研究结果
1.铅笔芯的结构响应：14B铅笔芯在 400V 电压下表现出显著的结构变化，缺陷密度降低，结晶尺寸显著增加，表明存在原位退火效应。相反，6H 和 4B 铅笔芯在高电压下显示出更多的结构缺陷，ID/IG 比例增加。
2.电导性能的提升：实验表明，所有铅笔芯在 FJH 处理后电阻显著降低，特别是在 400V 下，14B 铅笔芯表现出最低的电阻值，表明其电导率显著提高。
3.石墨含量对石墨烯质量的影响：实验结果表明，石墨含量较高的铅笔芯（如 14B）在 FJH 过程中表现出更好的石墨烯质量和产量，而石墨含量较低的铅笔芯则产生更多的缺陷和混乱结构。
展望
1.优化FJH工艺参数：未来研究可以进一步优化 FJH 技术的参数，如调整电压、处理时间等，以进一步提高石墨烯的产量和质量。
2.探索更多前驱体材料：使用更多种类的碳废料作为石墨烯合成前驱体，例如其他类型的废弃碳材料，可以进一步降低生产成本，并推动大规模、可持续的石墨烯生产。
3.潜在应用：FJH 技术在使用廉价易得的材料合成高质量石墨烯方面显示了巨大的应用潜力，有望推动石墨烯在多个领域的规模化应用。
https://doi.org/10.3390/nano14151289
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