近日，美国莱斯大学的James M. Tour教授及特法赫德石油与矿业大学的Shamsad Ahmad等人在《ACS Applied Nano Materials》上发表了题为“Soot-Derived Flash Graphene as Cement Additive”的论文，通过闪蒸焦耳加热从废机油碳黑和柴油颗粒等废弃碳源中制备闪蒸石墨烯，显著增强水泥砂浆的力学性能和耐久性，28天龄期抗压、抗拉和抗弯强度分别提升38%、27%和27%。研究揭示了闪蒸石墨烯与钙硅的强相互作用，为低成本、环保石墨烯在建筑材料中的应用提供了新路径。
研究背景
1.石墨烯在水泥复合材料中的潜力：石墨烯凭借其高强度和导电性能成为水泥复合材料的理想增强材料，其应用在提升建筑材料的强度和耐久性方面显示出巨大潜力。
2.传统石墨烯生产的高成本限制：传统的石墨烯生产方法涉及使用昂贵的强酸或有机溶剂，工艺复杂且能耗较高，这限制了其在建筑行业的大规模应用。
3.闪蒸焦耳加热技术的环保优势：闪蒸焦耳加热（Flash Joule Heating, FJH）技术提供了一种环保、低成本的石墨烯生产方式，能够利用廉价碳源（如煤、轮胎等）制备高质量石墨烯，为大规模工业应用创造了可能。
研究方法
1.闪蒸焦耳加热制备闪蒸石墨烯：研究通过闪蒸焦耳加热技术从机油烟尘中制备出石墨烯，并通过拉曼光谱、X射线衍射等手段确认其晶体结构和纯度。
2.水泥砂浆样品制备与性能测试：制备了两组水泥砂浆样品，分别为对照样品和掺入0.1%闪蒸石墨烯（FG）的样品，并对其抗压、抗拉、抗弯强度及弹性模量进行测试，以评价FG的增强效果。
3.分子动力学模拟分析增强机制：通过分子动力学模拟和径向分布函数分析，深入探讨FG在水泥基体中的作用机制，尤其是与水泥中钙硅的相互作用。
图1. 闪蒸焦耳加热法制备石墨烯的过程
研究结果
1.力学性能的显著提升：与对照组相比，掺入FG的水泥砂浆在28天龄期的抗压强度、抗拉强度、抗弯强度和弹性模量分别提升了38%、27%、27%和34%。
图2. 添加石墨烯对水泥砂浆力学性能的影响
2.耐久性能的优化：FG的加入略微降低了水泥砂浆的吸水率，增加了其耐久性，有助于提高材料的抗水性和耐用性。
图3. 添加石墨烯对水泥砂浆耐久性能的影响
3.微观结构的增强：分子动力学模拟结果显示，FG在水泥基体中与钙硅形成了强相互作用，改善了材料的微观结构，阻止了微裂纹的形成和扩展。
展望
1.拓展闪蒸石墨烯的应用范围：研究表明，由机油烟尘制备的FG可显著提升水泥复合材料的性能，未来可进一步探索不同掺量的FG对水泥基材料的优化效果。
2.推动建筑材料的可持续发展：FG的环保制造工艺有助于减少建筑材料中的水泥消耗，符合当前低碳、可持续发展的全球需求，为建筑行业提供了新的绿色解决方案。
3.深化闪蒸焦耳加热技术的工业应用：闪蒸焦耳加热技术作为一种新兴的绿色石墨烯生产方法，未来有望在更广泛的工业领域中应用，促进建筑材料乃至其他复合材料领域的创新。
https://doi.org/10.1021/acsanm.4c05322
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