浙江大学，Nature Sustainability！
米测MeLab
2024-12-19
研究背景
石墨烯是一种由sp²碳原子构成的二维材料，因其优异的电学、热学和力学性能，广泛应用于电子、传感器、能源存储等领域。与传统的碳材料相比，石墨烯具有更高的导电性、强度和热导率，因此在高性能材料开发中展现出巨大潜力。然而，石墨烯的制备通常依赖于石墨矿物的剥离，并采用高能耗、复杂的化学反应，这使得大规模生产面临挑战。此外，现有的制备方法常常需要在高温、高压和苛刻的化学环境下进行，带来了能源消耗高、产率低、成本高等问题。因此，开发一种低能耗、低成本且环境友好的制备方法，对于石墨烯及其相关二维材料（GR2Ms）在更广泛应用中的推广具有重要意义。为了解决这一问题，清华大学郭庆辉、浙江大学王端超，美国西北大学J. Fraser Stoddart 等在“Nature Sustainability”期刊上发表了题为“One-step conversion of biomass to reduced graphene oxide at room temperature”的最新论文。该团队设计了一种全新的脱水–缩合法，在室温和常压下，通过简单的化学反应将生物质转化为还原氧化石墨烯（RGO）。这一方法采用了浓硫酸作为唯一反应试剂，避免了传统方法中的高温和催化剂的使用，显著降低了能耗和生产成本。该研究成功实现了从多种生物质来源（如纤维素、葡萄糖）制备出高质量的GR2M，并通过优化反应条件，获得了33%的高质量产率。利用这一新型的脱水–缩合反应，该团队不仅显著提高了RGO的性能，还成功监测了RGO成核和生长的动力学过程，提供了一种更加绿色、可持续的石墨烯材料生产方法。与传统方法相比，这种方法减少了98%的能量消耗，并且在不需要高端设备和复杂工艺的情况下，能够实现在克量级的GR2M生产。此项研究为GR2M的可持续大规模制备提供了新的方向，并为材料科学和能源存储等领域的应用拓展了新的可能性。
研究亮点
实验首次通过一步脱水缩合法将生物质转化为还原氧化石墨烯（RGO），成功实现了RGO的低能耗、高效制备。该方法仅需浓硫酸作为反应介质，在室温和常压下操作，能有效将生物质转化为具有类似传统RGO的碳材料，展现出极大的应用潜力。
实验通过该方法，成功将不同类型的生物质和碳水化合物转化为高质量的GR2Ms产品，且产率可达33%。这一转化过程具有显著的优势，包括低能耗（比传统方法减少了98%）和低成本，并能够实现克规模生产，为大规模应用提供了可行性。
- 该方法通过温和条件成功避免了高温、高能耗和使用有毒化学品的问题，展示了可持续生产路径相比传统方法，该方法不仅实现了绿色环保，还为生物质资源的高效利用和石墨烯材料的生产提供了新的思路，推动了绿色化学在材料领域的应用。
图文解读
图1: 室温生物质转化为石墨烯以及脱水-缩合dehydration–condensation，D–C 还原氧化石墨烯reduced graphene oxide，RGO表征。图2: 生物质脱水-缩合D–C 还原氧化石墨烯RGO表征。图4: 制备石墨烯相关二维材料graphene-related two-dimensional materials ，GR2M的脱水-缩合D–C方法与传统方法比较。图5:对脱水-缩合D–C反应中，石墨烯成核和生长行为的新认识。
总结展望
本研究提供了一种经济且绿色的生物质转化方法，打破了传统石墨烯及其相关二维材料（GR2Ms）生产中对石墨矿物和高能耗技术的依赖，具有重要的科学启示。首先，研究提出了一种在常温、常压下，无需催化剂的情况下，通过脱水缩合反应将生物质转化为还原氧化石墨烯（RGO）的新策略。这一策略不仅降低了能耗，还简化了生产过程，推动了石墨烯和GR2Ms的大规模制备，具备了可持续发展的潜力。其次，研究通过对不同生物质来源（如纤维素和葡萄糖）的实验验证，表明该方法具有广泛的适用性，能够有效转化多种碳水化合物为高质量的GR2M。研究结果表明，相较于传统的高能耗生产方法，本方法在能量消耗上实现了98%的减少，具有显著的环境效益。最后，研究还为监测GR2M成核与生长动力学提供了新的实验平台，具有重要的技术和理论价值。因此，这一研究不仅为生物质转化和石墨烯产业化提供了新的路径，也为绿色化学和材料科学领域开辟了广阔的研究空间。 Wang, DC., Lv, JZ., Zhong, S. et al. One-step conversion of biomass to reduced graphene oxide at room temperature. Nat Sustain (2024). https://doi.org/10.1038/s41893-024-01480-x
