科学家通过闪光焦耳加热从石油废料中制造石墨烯

卡尔加里大学和莱斯大学的一个团队使用闪光焦耳加热 (FJH)将低价值的沥青质（原油精炼的副产品）转化为高价值的碳同素异形体、沥青质衍生闪蒸石墨烯（AFG）。相关研究成果发表在SCIENCE ADVANCES上。

沥青质是石油蒸馏高温渣油中的重质大分子物质；它们通过多种机制阻碍原油加工并降低原油的经济价值。因此，沥青质被视为低价值副产品，在当今市场上几乎没有实际应用和商业用途。

目前估计全球沥青质储量在 1 到 2 万亿桶之间；较差的生物降解性、可燃性和反应性引起了人们对其再利用和/或处置的担忧。通过传统的分离技术分离出来的沥青质通常被燃烧以作为运输燃料再利用和/或丢弃在尾矿池和垃圾填埋场中。

但是，该团队指出：

沥青质富含碳（约 70 至 80%），这种具有多样化和吸引人的物理化学特性（例如，高芳香性、杂原子含量、极性官能团和双键当量）的富碳材料具有巨大的潜力作为开发碳基结构和功能材料的廉价且容易获得的原料。

因此，在过去的几年里，对沥青质增值的研究开始兴起。迄今为止，已经投入大量精力开发碳纤维、碳电极、多孔碳泡沫/支架和沥青质碳纳米片。然而，将低价值沥青质同时转化为高价值碳材料/同素异形体并开发适用于无数工程应用的最终产品的绿色回收或升级回收解决方案仍未实现。

在这里，我们报告了沥青质大规模转化为稳定、天然存在的碳形式，即石墨烯，使用单步、低成本、节能、可回收、可扩展和可持续的技术，称为闪焦耳加热(FJH)。

由于 FJH 过程是一种电阻/欧姆加热过程，需要源材料具有导电性，并且由于沥青质是不良导体，因此研究人员添加了最少量 [20 重量％ (wt %)] 的导电炭黑 (CB ) 原料沥青质粉末。获 取 更多科技 前沿访问：https://byteclicks.com

导电均匀混合物在两个铜电极之间的石英管内轻轻压缩。来自电容器组的高压放电使源混合物在不到 100 毫秒的时间内达到高于 3000 K 的温度，有效地转化为 AFG，工艺产率为 ~45%，AFG 产率为 95% 以上。

成功转化后，研究团队通过将 AFG 有效分散到聚合物中来开发纳米复合材料，与裸聚合物相比，纳米复合材料具有优异的机械、热和耐腐蚀性能。此外，生命周期和技术经济分析表明，与传统的沥青质加工相比，FJH 工艺可减少对环境的影响，与其他 FJH 前体相比，生产成本也更低。因此，该研究工作提出了现有沥青质加工的替代途径，该途径可导向更高价值的流，同时隔离加工过程中的下游排放。