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新科技:沥青可变成石墨烯复合材料

2022年11月30日6:45 未解之谜网

    美国莱斯大学通过采用独特的闪光焦耳加热法工艺,将富含碳资源的沥青废料转化为有用且高价值的石墨烯。图为2018年德国亚琛工业大学(RWTH Aachen University)研发的石墨烯芯片。(Pau Barrena/AFP)

    美国莱斯大学的材料科学和纳米工程助理研究教授穆罕默德‧拉赫曼(Muhammad Rahman)与他的合作者,通过独特的闪光焦耳加热法(FJH)工艺,将富含碳元素的沥青废料转化为有用且高价值的石墨烯。

    这种闪光焦耳转变方法的论文11月18日发表在《科学》杂志上,并且获得美国空军科学研究办公室、美国陆军工程兵团和美国国家实验室的资助和支持。

    论文提到,石油原油在精炼过程会产生大量的沥青质,目前估计全球大约有1至2万亿桶。但沥青在处理和生产过程中会带来复杂的问题,一般都被当作燃料再利用,或被丢弃到尾矿池(矿渣堆)、垃圾掩埋场和变成柏油路,但丢弃和燃烧处理不当容易造成环境破坏。

    研究人员用闪光焦耳加热法(FJH),将低价值的沥青转化为高价值的衍生品——闪光石墨烯(AFG)。这种方法能够在1秒左右生产出闪光石墨烯(几层石墨烯叠加),减少了许多能量和二氧化碳的消耗。

    闪光焦耳加热法(FJH)是在两个铜电极之间的石英管内,依次使用185V、250V、250V和370V电压、频率为1000Hz的可变脉冲对沥青质进行电击,产生出近3000度的极高温,让沥青质转变成AFG。

    为了测试其机械性质,研究人员将环氧树脂和1 wt%(重量百分浓度)、3 wt%、5 wt%的AFG进行混合,并与纯AFG进行拉伸强度、杨氏模量和韧性的机械性能进行比较。结果显示,环氧树脂和1%的AFG混合表现出来的机械性最为良好,因为拉伸强度增加了37%,杨氏模量增加了12%,韧性增加了75%。

    另外,他们为了观察环氧树脂-AFG纳米复合材料的热性质,用白光射进纯环氧树脂和环氧树脂-AFG纳米复合材料,并用热红外(IR)相机观测材料温度上升情况。

    结果显示,纯环氧树脂的感应热集中在较小的区域,且温度上升比较多,但环氧树脂-AFG纳米复合材料热感应比较分散,温度也上升比较小。他们还发现,AFG含量越高温度上升越少,这也证明环氧树脂-AFG纳米复合材料热传导,比纯环氧树脂来得更好。

    研究人员还将环氧树脂-AFG做耐腐蚀测试,他们将其包裹在低碳钢(MS)上作为腐蚀保护层,发现环氧树脂-AFG中AFG含量10 wt%比纯环氧树脂和其它wt%的纳米复合材料保护效果都要好。

    最后,他们使用环氧树脂-AFG纳米复合材料去做3D打印,打印出来的成品放置室温48小时,且将物体持续加热1小时至130°C都不变形,试验结果相当成功。

    试验证明,与一般的纯环氧树脂聚合物相比,环氧树脂-AFG纳米复合材料具有优异的机械、热传导和耐腐蚀性能,且能作为3D打印的材料。

    与拉赫曼一起工作的萨迪(M.A.S.R. Saadi)将石墨烯混合到复合材料中,然后混合到用于3D打印机的聚合物墨水中。他对莱斯大学新闻室表示,“我们已经优化了其3D打印墨水,证明它是可打印的。”

    另外,在沥青质使用FJH工艺生产AFG的过程中,产生的污染较少,且生产出的高价值同素异形体石墨烯可应用到工业上。

    拉赫曼对莱斯大学新闻室表示,“沥青质目前是石油行业的一大难题,我认为石油行业会对此很感兴趣,因为这是一种可持续的方法,可以减少燃烧沥青质产生的碳排放。”

    另外,该实验报告的化学家詹姆斯‧图尔(James Tour)团队认为,闪光焦耳加热法对沥青质的处理方法与对其它原料(包括塑料、电子垃圾、轮胎、煤粉煤灰、汽车零件)处理起来一样有效,研究人员下一步将用这些石墨烯制造更多东西。

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