转自：环境催化
这篇文章是发表在《自然-可持续性》（Nature Sustainability）上的一篇研究论文，标题为“一步法在室温下将生物质转化为还原氧化石墨烯”。该研究由杜超王、Jin-Ze Lv、沈杰钟、于航吴、杨刘、盛楠雷、侯勇余、梁提区、J. Fraser Stoddart和庆辉郭等人共同完成。文章提出了一种在室温下、常压条件下，仅使用浓硫酸就能将生物质转化为石墨烯类二维材料（GR2Ms）的绿色、经济的方法。这一方法不仅简化了石墨烯的生产流程，还大幅降低了能耗和成本，为可持续和规模化生产GR2Ms开辟了新的途径。
研究背景
石墨烯及其相关二维材料（GR2Ms）因其独特的物理化学性质，在材料科学和凝聚态物理学中具有重要的研究价值，并在基础科学和工程领域有着广泛的应用前景。然而，传统的石墨烯制备方法依赖于石墨矿物的剥离，这些方法成本高、不可持续，并且涉及多个步骤，在恶劣和危险条件下进行。尽管近年来的技术发展提高了石墨烯和GR2Ms的质量和生产规模，但仍然存在能耗高、产量低等问题，且需要高端制造设备。
研究方法
本研究提出了一种一步脱水-缩合（D-C）方法，通过在室温下直接将生物质脱水在浓硫酸中，成功地将生物质转化为还原氧化石墨烯（RGO）。这种方法能耗低、成本低，并且可以在克级规模上进行，具有很好的可扩展性。与传统方法相比，该方法能耗降低了98%。
实验结果
实验结果表明，通过D-C方法制备的RGO产品在性质上与传统的RGO相似，但其来源完全不同于传统RGO，不需要从石墨矿物中生产。D-C RGO的层间距为3.35 Å，与传统RGO的层间距相近。通过拉曼光谱、X射线光电子能谱（XPS）、原子力显微镜（AFM）和透射电子显微镜（TEM）等技术对D-C RGO进行了表征，证实了该方法的普适性，可以应用于其他生物质原料。
反应机制
研究还探讨了在分子水平上的反应机制。通过对比生物质的三个主要成分——纤维素、半纤维素和木质素，发现纤维素是D-C反应中的活性组分。纤维素可以被浓硫酸水解成葡萄糖，而葡萄糖是D-C反应中的最小活性物种。研究还发现，淀粉、三种环糊精（CD）以及基于葡萄糖的化合物都能通过一步D-C协议在室温下转化为高质量的RGO。
方法优势
D-C方法在实验室和工厂制备RGO方面具有明显优势。它不仅避免了传统方法中的多步骤、高成本和危险性，而且操作简单，无需惰性气体保护或高真空环境，也不依赖石墨矿物或催化剂。此外，D-C RGO的制备成本仅为每克约10美元，远低于商业石墨烯。
核化和生长行为
研究还对D-C RGO的核化和生长行为有了新的理解。通过原子力显微镜（AFM）和透射电子显微镜（TEM）观察，发现D-C RGO的生长遵循层状生长机制，即新层使用已形成的层作为模板进行生长。这种生长方式在室温下是热力学上最稳定的，因此被D-C RGO所选择。
应用前景
D-C RGO的制备不仅提供了一种更可持续的石墨烯生产方法，还可能对商业应用产生革命性影响。使用这种方法，可以将生物质的石墨化温度从2000°C降低到25°C，这显示了科学进步对生态、环境和社会利益的强大推动力。
结论
这项研究发明了一种温和且高效的从可持续生物质中制备D-C RGO的方法。这种方法涉及在室温下进行的一步D-C过程，可以大规模进行。研究者相信，鉴于生物质和碳水化合物的丰富供应，D-C方法的应用范围将在未来得到扩展。这种简单的方法将简化GR2Ms的制备，并减少与之相关的大规模制造的危险实验风险。可持续的生物质废物和温和的D-C方法显示出作为化石原料和高温石墨化的替代品的潜力。通过这种低能耗、低成本的方法生产的D-C RGO将比石墨烯更可持续，并可能彻底改变商业应用。这项研究的结果希望能激发自然研究社区的变革和创新思维，共同构建一个可持续的星球。
https://doi.org/10.1038/s41893-024-01480-x
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