近日，复旦大学朱向东等研究人员在《Nature Communnications》期刊发表题为“Continuous and low-carbon production of biomass flash graphene”的论文，开发了一种通过快速焦耳加热（FJH）技术将生物质转化为闪蒸石墨烯的集成自动化系统，实现了生物质闪蒸石墨烯的连续生产，并且显著降低了生产过程中的碳排放。

【亮点】

（1）研究介绍了一种利用快速焦耳加热（FJH）技术将生物质转换为石墨烯的集成自动化系统。该系统能够连续运行且碳足迹低于传统方法。

（2）与传统的生物质基石墨烯生产方法相比，该过程将碳排放降低了约86.1%，这得益于生物炭的有效利用和在过程中消除了炭黑。

（3）生产出的石墨烯纯度高且层数少，适用于包括光热材料和催化剂在内的各种高级应用。优化的过程条件有助于石墨烯的高质量和功能属性。

（4）该技术设计可扩展到实验室之外，表明有潜力进行工业规模生产。使用如锯末这样的低杂质生物质，能够生产数百万吨高纯度石墨烯，突显了该方法的可扩展性和可持续性。

图1. 连续闪蒸石墨烯生产设备的设计和制造，包括生产率的测量和电流-电压记录

【研究背景】

快速焦耳加热技术是一种新兴技术，能将生物质转化为闪蒸石墨烯（FG）。然而，传统的热辐射热解方法由于缺乏剥离过程，只能从生物质中成产出类似石墨的材料。开发连续生产装置来实现生物质FG的规模化生产是其成功实施的先决条件。尽管之前有报道一种自动化的FJH技术，但是该技术是以牺牲负压泵送步骤为代价来提高FG的生产率。因此，迫切需要一个集成的自动设备来解决连续生物质FG生产的瓶颈问题以及改进解决碳减排问题。

【研究方法】

（1）集成自动设备设计：确保FG生产过程的完整性，包括装载、负压抽气步骤、FJH反应和卸载。为此，集成了多个模块组件，包括机械控制、FJH反应和电气控制区域。

（2）负压环境和反应区：在FJH反应区设计中，同时构建了负压环境并通过移动套筒与更大的反应电极扩大了反应区。

（3）程序控制：在电气控制区，FG制造过程被分为可编程动作和传递条件，使用SFC程序语言实现自动化。这一序列逻辑控制系统根据转移条件设置，按照FG生产过程一步步进行操作。

（4）载样和反应电压调节：为了获得连续生产，对样品装载重量和FJH反应的放电电压进行了优化。在试验中，750℃的生物炭基FG被包裹在石墨电极中的石英管内，并放置在装载样品托盘上。

（5）机器人操作和自动化流程：整个系统包括机器人手臂用于自动化装载和卸载，同时具备“启动就绪”和“开始”按钮，以实现全自动操作。此外，系统还设有信号监控选项，用于实时监控操作状态。

【研究结果】

（1）通过预处理热解和优化FJH反应的联合策略，成功地降低了生产过程的碳排放。在没有使用炭黑的情况下，生产出的生物质FG具有低碳排放（每克石墨烯1.9克二氧化碳当量），与传统生物质基FG生产相比，碳排放减少了约86.1%。

（2）优化了FJH反应的放电电压和样品装载重量，成功实现了FG的连续生产，FG样品具有少层数结构，这一结果也通过拉曼光谱、X射线光电子能谱、原子力显微镜和透射电子显微镜分析得到了验证。

（3）低杂质生物质（如锯末）生产的高纯度FG表现出优异的分散性、催化性能（如溴酸盐去除率约93.3%）和太阳能吸收性能（约92.4%），与常见催化剂和光热材料相当。

（4）如果电力系统通过使用可再生能源去碳化，则生物质FG系统可以实现负碳排放，同时在碳排放和财务收益方面优于传统石墨烯生产技术。

图2. 闪蒸石墨烯生产过程的数字图像

【展望】

根据研究内容和结果，可以推测一些可能的后续研究方向：

（1）提高石墨烯的结构质量：研究指出，通过优化使用的生物质类型和预处理过程可以进一步提高石墨烯的结构质量。尤其是对高纯度生物质的利用，比如竹子和锯末，已经展示了在产生高纯度石墨烯方面的潜力。

（2）能源效率的提升：文献中提到，通过优化能源分配和提高FJH反应的能效，尤其是在交替电流FJH过程中降低所需的超高温度，可以显著减少能源浪费。

（3）减少碳排放：进一步减少碳排放的方法包括提升生物质FG生产的连续性和规模，以及探索通过可再生能源供电系统来实现碳负排放。

（4）提高生产率和扩展应用：研究结果鼓励进一步开发和改进连续生产设备，以扩大石墨烯的产量和应用领域。特别是提升装载机械和电控系统的稳定性和效率，可以提高生产率并降低运营成本。

（5）探索生物质种类：对不同生物质源的研究可以扩展，特别是那些目前未被广泛利用的具有高杂质的生物质。这可能有助于进一步优化石墨烯的产量和质量，尽管存在挑战。

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赛因新材料：19934959968

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-47603-y