新科技：瀝青可變成石墨烯複合材料

美國萊斯大學的材料科學和納米工程助理研究教授穆罕默德·拉赫曼（Muhammad Rahman）與他的合作者，通過獨特的閃光焦耳加熱法（FJH）工藝，將富含碳元素的瀝青廢料轉化為有用且高價值的石墨烯。

這種閃光焦耳轉變方法的論文11月18日發表在《科學》雜誌上，並且獲得美國空軍科學研究辦公室、美國陸軍工程兵團和美國國家實驗室的資助和支持。

論文提到，石油原油在精煉過程會產生大量的瀝青質，目前估計全球大約有1至2萬億桶。但瀝青在處理和生產過程中會帶來複雜的問題，一般都被當作燃料再利用，或被丟棄到尾礦池（礦渣堆）、垃圾掩埋場和變成柏油路，但丟棄和燃燒處理不當容易造成環境破壞。

研究人員用閃光焦耳加熱法（FJH），將低價值的瀝青轉化為高價值的衍生品——閃光石墨烯（AFG）。這種方法能夠在1秒左右生產出閃光石墨烯（幾層石墨烯疊加），減少了許多能量和二氧化碳的消耗。

閃光焦耳加熱法（FJH）是在兩個銅電極之間的石英管內，依次使用185、250、250 和 370 V電壓、頻率為1,000 Hz的可變脈衝對瀝青質進行電擊，產生出近3,000度的極高溫，讓瀝青質轉變成AFG。

為了測試其機械性質，研究人員將環氧樹脂和1 wt %（重量百分濃度）、3 wt %、5 wt %的AFG進行混合，並與純AFG進行拉伸強度、楊氏模量和韌性的機械性能進行比較。結果顯示，環氧樹脂和1%的AFG混合表現出來的機械性最為良好，因為拉伸強度增加了37 %，楊氏模量增加了12 %，韌性增加了75 %。

另外，他們為了觀察環氧樹脂-AFG納米複合材料的熱性質，用白光射入純環氧樹脂和環氧樹脂-AFG納米複合材料，並用熱紅外（IR）相機觀測材料溫度上升情況。

結果顯示，純環氧樹脂的感應熱集中在較小的區域，且溫度上升比較多，但環氧樹脂-AFG納米複合材料熱感應比較分散，溫度也上升比較小。他們還發現，AFG含量越高溫度上升越少，這也證明環氧樹脂-AFG納米複合材料熱傳導，比純環氧樹脂來得更好。

研究人員還將環氧樹脂-AFG做耐腐蝕測試，他們將其包裹在低碳鋼（MS）上作為腐蝕保護層，發現環氧樹脂-AFG中AFG含量10 wt %比純環氧樹脂和其它wt %的納米複合材料保護效果都要好。

最後，他們使用環氧樹脂-AFG納米複合材料去做3D打印，打印出來的成品放置室溫48小時，且將物體持續加熱1小時至130 °C都不變形，試驗結果相當成功。

試驗證明，與一般的純環氧樹脂聚合物相比，環氧樹脂-AFG納米複合材料具有優異的機械、熱傳導和耐腐蝕性能，且能作為3D打印的材料。

與拉赫曼一起工作的薩迪（M.A.S.R. Saadi）將石墨烯混合到複合材料中，然後混合到用於3D打印機的聚合物墨水中。他對萊斯大學新聞室表示，「我們已經優化了其3D打印墨水，證明它是可打印的。」

另外，在瀝青質使用FJH工藝生產AFG的過程中，產生的污染較少，且生產出的高價值同素異形體石墨烯可應用到工業上。

拉赫曼對萊斯大學新聞室表示，「瀝青質目前是石油行業的一大難題，我認為石油行業會對此很感興趣，因為這是一種可持續的方法，可以減少燃燒瀝青質產生的碳排放。」

另外，該實驗報告的化學家占士圖爾（James Tour）團隊認為，閃光焦耳加熱法對瀝青質的處理方法與對其它原料（包括塑膠、電子垃圾、輪胎、煤粉煤灰、汽車零件）處理起來一樣有效，研究人員下一步將用這些石墨烯製造更多東西。@

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