从垃圾到全球市场，石墨烯“逆袭”！

石墨烯的应用非常广泛，在过去二十年里，它改变了电子、储能和生物医学设备、传感器、复合材料和涂层的组成。这一切都归功于其卓越的机械、电气和热性能。然而，它的使用对环境有何影响？成本如何限制其应用？

石墨烯于2004年首次分离出来，发展到现在，制造成本已大幅下降。然而，却仍然取决于所需石墨烯的质量以及分离石墨烯所用的生产方法。商业级高品质石墨烯仍然非常昂贵，零售价从每吨60,000美元到200,000美元不等。

2020年，莱斯大学化学家James Tour实验室的科学家取得了一项有希望的发现，可能会彻底颠覆我们的石墨烯生产工艺和垃圾概念。他们的研究成果发表在《自然》杂志上，描述了使用闪蒸焦耳加热 (FJH) 来制造闪蒸石墨烯或片状石墨烯 (FG)。该工艺使用廉价的碳源，如煤、废弃食品、橡胶轮胎、塑料废物等来制造FG，适用于塑料、金属、胶合板、混凝土和其他建筑材料的块状复合材料。这种方法生产的石墨烯成本只占其他方法的一小部分。

这种将垃圾变成宝物的廉价过程只是将超热电流聚焦在碳源上，重新排列原子并生成石墨烯。自发现以来，已经有许多有前景的计划和提案，旨在减少碳排放和浪费。其中包括建筑行业的建筑材料、报废车辆、塑料和城市垃圾。

建造

随着人口和城市化的发展，建筑行业在减少碳足迹，特别是与水泥基产品相关的碳足迹方面面临着巨大的挑战。根据福布斯的一篇文章，混凝土是仅次于水的全球第二大消耗产品，水泥生产产生了全球 8% 的碳排放量。作为一种坚固而轻质的材料，它可以添加到混凝土中，每次添加0.03%，从而将其抗压强度提高25%。石墨烯增强混凝土的强度是标准混凝土的2.5倍，透水性是标准混凝土的四分之一。它使用更少的水泥来达到所需的强度。通过将石墨烯融入混凝土，工程师和建筑师可以创建需要更少材料的结构，同时仍能实现与传统混凝土相同的结构性能。因此，预计二氧化碳排放量将减少30 %。

报废车辆

另一个最大的碳排放来源是汽车/运输行业。这些排放不仅来自使用中的车辆，还来自报废车辆 (ELV)，以塑料形式的不可回收废物 (ELV-WP) 的形式产生。

根据《自然》的一篇文章，“汽车行业产生的ELV形式的工业废物占全球工业废物的5%，EVL 废塑料是车辆中最大的不可回收材料，下一代聚合物复合材料的使用增加加剧了通过传统方法回收ELV-WP的难度，而传统方法通常侧重于单一塑料来源。”例如，石墨烯旗舰的合作企业Nanografen通过热解、化学和热处理工艺将旧轮胎转化为石墨烯基纳米片，不仅为有毒轮胎废物问题提供了解决方案，而且为汽车零部件中的热塑性应用提供了低成本的石墨烯来源。

对已污染、拆解和粉碎的废旧塑料进行升级再造的难度和成本仍然存在，并使 EVL-WP 成为紧迫的环境问题，然而，随着 FJH 和 FG 的引入，将废物加工成可用的石墨烯的可能性充满希望。

此外，石墨烯旗舰项目G+Board 以多功能石墨烯或还原氧化石墨烯为基础，采用导电图案、传感器和设备来取代目前汽车仪表板中使用的铜，这种替代减少了生产步骤，减轻了车辆重量，同时也提高了美观性和可回收性。

塑料

塑料是由聚合物制成的，在我们的日常生活中用于许多不可或缺的应用，但它们的分解时间很长，留下了未解决的垃圾问题。虽然有些塑料可以回收利用，但大多数塑料最终会被填埋或漂浮在我们的海洋中，需要数百年（甚至数千年）才能分解。

自从莱斯大学发现石墨烯以来，一些人开始思考和测试将塑料废物（PW）转化为石墨烯是否可以解决这一巨大问题。升级 PW 的一种方法依赖于 FJH 将 PW 转化为 FG。根据 ACS 发表过的一篇研究结果，“为了制造高质量的石墨烯，需要使用连续的交流电 (AC) 和直流电 (DC) 闪光。FJH 工艺不需要催化剂，适用于 PW 混合物，这使得该工艺适合处理垃圾填埋场的 PW。”作者还指出，FJH 不仅可以处理来自垃圾填埋场的 PW，而且所需的能量“约为 23 kJ/g 或每吨 PW 约 125 美元的电费，这可能使该工艺在经济上具有吸引力，有利于扩大规模。” 9

PW 的另一个有希望的用途可能是不仅生产石墨烯，还可以生产氢气，这是一种化石燃料的替代品。莱斯大学的研究人员发现，使用 FJH 时，他们可以将 PW 转化为氢气，并产生 FG 作为副产品。目前制造氢气的方法“要么产生过多的二氧化碳，要么成本太高”。然而，通过使用 FJH 和 PW，他们可以免费生产清洁的氢气，只需以当前市场价值的一小部分出售石墨烯即可。

城市垃圾

全球每年产生超过 20 亿吨城市固体废物 (MSW)，相当于“约 70% 的废物最终被填埋或露天倾倒……需要能够最大限度减少废物量或将废物转化为有价值产品的技术。”在ACS 出版物中，使用 FJH 制造 FG 作为一种废物管理策略被评估为一种“废物增值”形式，可以“帮助实现近乎零的废物和促进经济发展的城市固体废物管理系统。”

该论文还指出，与生产块状石墨烯的传统方法相比，这种方法污染较小，因为传统的生产块状石墨烯的方法会耗费大量资源，造成污染。“石墨烯研究稳步增长，由于其优异的物理化学性质和合成技术的进步，其在许多应用领域的商业化正在成为现实。”

原油副产品（沥青质）转化为石墨烯复合材料 

莱斯大学的研究人员还发现了原油生产副产品沥青质的潜在用途，沥青质在闪蒸后会变成有用的涡流石墨烯，可用于热、防腐和 3D 打印应用的复合材料中。这些应用与石墨烯旗舰项目GIANCE相关，该项目致力于支持、开发和推进应对环境挑战的创新解决方案，从而建立一个整体、集成和工业驱动的平台，用于设计和可扩展制造下一代可回收石墨烯和基于 2D 材料的多功能复合材料、涂层、泡沫和膜。

结论

事实证明，与其他块状石墨烯生产方法相比，闪蒸焦耳加热 (FJH) 工艺可以生产出高质量的闪蒸（薄片）石墨烯 (FG)，可减少 90% 以上的碳和水足迹；更不用说它比其他回收方法更具成本效益。

然而，根据《One Earth》的一篇文章，“FJH 方法的可持续性资质仍不清楚，而且 FJH 是否可以使用生物质废物生产工业质量的石墨烯还远不能确定。”尽管这项研究的实验室结果产生了高质量的 FG，当 FJH 工艺由可再生能源驱动时，它可以实现碳中性。此外，他们发现估计成本是传统石墨烯的五分之一。总体而言，他们的研究表明“FJH 技术可以极大地促进石墨烯生产的环境和经济可持续性，并有可能通过利用生物质废物促进循环生物经济的转型。

尽管还有许多研究工作要做，但响亮的信息很明确：我们需要新的方法来减少碳排放和处理废物，而 FG 的加工和生产可能是将垃圾变成宝藏的一种方法。