对石油焦的电击产生可持续的石墨烯

德州农工大学和埃克森美孚的研究人员正在开发一种方法，将石油焦(炼油原油的副产品)再加工成可持续的高价值替代品。他们使用一种称为电化学剥离的化学过程，将石油焦转化为石墨烯，这是一种在电子、医药和能源存储中应用的纳米材料。

这项研究发表在npj 2D Materials and Applications上。

原油是许多不同碳氢化合物的混合物，轻的部分会变成天然气，而最重的部分会形成粘性物质甚至是固体物质。来自精炼原油的众多产品之一是固体石油焦。

尽管有许多方法可以利用石油焦，例如用于钢铁和铝生产的电极，但此过程会释放有害的碳排放。出于这个原因，该行业正在寻找可以从原油中提取的低排放、高价值的材料。

一种可能的解决方案是将富含碳的石油焦重新用于生产石墨烯，这是一种由单层碳原子组成的多功能片状材料。传统上，石墨烯是从石墨中剥离出来的。研究人员调查了是否有任何化学过程可以促进从化石燃料衍生材料中生产石墨烯。

“我们知道石油焦含有类似石墨烯的材料，”德克萨斯 A&M 大学 Artie McFerrin 化学工程系教授 Micah Green 博士说。“我们的挑战是从原材料中分离出石墨烯。”

为了完成这项任务，研究人员转向电化学。他们将焦炭放入带有工作电极和对电极的电解质溶液中。当他们向工作电极施加电压时，来自电解质的离子物质或负离子在称为嵌入的过程中迁移到石墨烯片之间。

“把可乐想象成一本书，把石墨烯想象成每张纸，”格林说。“当这本书平放在书脊上时，书页呈扇形展开，并且它们之间的间隙更大。电化学剥离的过程是相似的。”

当焦炭膨胀时，石墨烯分离。产生负离子并进入石墨烯片之间的空间，完成焦炭副产物和石墨烯的分离。

许多石墨烯应用都需要高导电性，但来自石油焦的石墨烯能否达到这样的性能还不得而知。由焦炭制成的石墨烯的电导率为 50 西门子/米，而典型的锂离子电池的电导率约为 150-160 西门子/米。通过称为退火的热处理，研究人员可以提高导电性，使其与锂离子电池中的电极相媲美。

有了这些发现，多年来一直在开发的石墨烯应用可能会取得成果。

“纳米材料规模化的未来与石化行业的现有流程直接相关，我预计会有更多的案例将石油衍生的化学品转化为石墨烯等高价值碳材料，”格林说。

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