CEJ：0.1秒3000K闪蒸石墨烯，水泥抗压/抗折性能提升16.8%/37.2%

近日，大连理工大学的韩宝国教授和香港理工大学的丁思齐研究助理教授等人在《Chemical Engineering Journal》上发表了题为“Low-cost flash graphene from carbon black to reinforce cementitious composites for carbon footprint reduction”的论文（https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.156926），通过闪蒸焦耳加热（FJH）技术从碳黑中制备低成本、高效能的石墨烯，并将其用于增强水泥复合材料。结果表明，掺入0.25 wt.%的导电型石墨烯（FG-D）可显著提升水泥材料的抗压、抗弯强度和韧性，同时优化了基体微观结构，减少孔隙率并提高C-S-H凝胶的聚合度。

研究背景

1.石墨烯的优异性能及其应用：石墨烯因其卓越的机械、电学和热导性能，受到材料、能源和土木工程领域的广泛关注。其在水泥复合材料中的应用旨在改善传统水泥材料的脆性和稳定性不足问题。

2.石墨烯在水泥材料中的研究进展：多层石墨烯和氧化石墨烯在提高水泥复合材料的抗压强度、抗弯强度和耐久性方面表现优异，此外还具有改善水泥材料电性能和抗腐蚀性的潜力。然而，现有石墨烯制备方法复杂且成本高，限制了其大规模应用。

3.闪蒸焦耳加热（FJH）技术的创新性：FJH 技术是一种高效低成本的石墨烯制备方法，通过在100毫秒内将温度提升至3000K，使碳源快速转化为石墨烯。与传统方法相比，该技术能耗低、污染小、且可使用廉价的碳黑作为原料。

研究方法

1.闪蒸焦耳加热（FJH）技术制备石墨烯：采用FJH技术，在100毫秒内将碳黑加热至3000K，实现高效合成高纯度型（FG-G）和掺硼导电型（FG-D）石墨烯，确保低成本与高效益。

2.水泥复合材料的制备：将FG以0.25 wt.%和0.50 wt.%的比例分别掺入水泥浆体，并加入飞灰和硅灰优化流动性与结构性能。采用标准制备工艺，包括混合、超声分散、模具浇筑、脱模和标准条件养护。

3.多种测试方法表征样品性能：利用SEM、TEM、XRD和NMR等技术分析微观结构和水化产物。通过机械测试和电化学阻抗谱（EIS）测试，评估水泥材料的抗压、抗弯强度及其电学性能。

图1.FJH设备及FG的合成流程示意图

研究结果

1.力学性能显著提升：掺入0.25 wt.% FG-D后，抗压强度提高16.8%，抗弯强度增加37.2%，极限应变提升550%，显著改善了材料的韧性和结构稳定性。

2.微观结构优化：FG的加入减少了基体孔隙率，优化了孔径分布，并通过促进C-S-H凝胶的聚合提升了材料的致密性。XRD和NMR分析表明，FG提高了凝胶的聚合度，降低了钙硅比。

3.电性能与耐久性提升：虽然FG的加入对电导率影响有限，但通过减少孔隙连接性，增强了基体的耐久性与抗裂性，使其适应更复杂的服役环境。

图2.FG与碳黑的形貌与结构分析结果

图3.FG增强水泥材料的力学性能测试结果

展望

1.助力低碳与绿色建筑发展：FG的使用减少了水泥用量，降低了碳排放，为开发高性能、低碳足迹的建筑材料提供了新路径。

2.经济与环保并举：FJH技术降低了石墨烯的生产成本，每千克FG成本约为11.5元，并显著减少了混凝土生产和维护费用。

3.未来研究方向：未来可进一步优化FJH工艺，提高制备效率，并探索FG在其他建筑材料领域的应用，推动建筑行业的可持续发展。