用于能源应用的商用石墨烯经济实惠的来源

石墨烯是一种多功能碳纳米材料，广泛合成用于复合材料，储能和传感器。

研究：来自煤，生物质和废物的石墨烯/石墨烯衍生物：合成，能源应用和前景。图片来源：pointbreak/Shutterstock.com

尽管之前的评论提到，提高产量会损害石墨烯质量，限制其商业化，但最近对石墨烯的研究强调了使用天然丰富的碳质来源来经济高效地生产石墨烯衍生物。

发表在《Energy and Fuels》杂志上的一篇文章讨论了从各种天然可用的碳质材料中合成高质量石墨烯的最新进展，并瞥见了它们商业化的潜在可扩展性。此外，还探索了先前报道的合成策略，以确定最合适的技术来获得具有良好收率的高质量石墨烯衍生物。

还讨论了石墨烯衍生物在能源领域的应用，强调了它们对储能的重要性。本文综述总结了石墨烯生产的当前情况，并提供了对其高纯度生产成本效益的见解。

石墨烯和石墨

在各种碳材料中，石墨烯是一种先进的碳质材料。此外，其高官能度是由于其独特的二维（2D）聚合物结构，由具有sp的共价键合碳原子组成。²杂交，组织成六角形晶格结构。

此外，石墨烯芳环中存在的离域π电子有助于提高导热性和导电性，拉伸强度，高刚度，高比表面积，不渗透性和更高的光学透明度，使石墨烯成为工业应用中重要且具有成本效益的碳质材料。

石墨是石墨烯合成的可靠原料之一，与石墨烯具有密切的结构相似性。

石墨堆叠结构中的“石墨烯结构单元”使其成为石墨烯合成的合适前体。液相去角质（LPE），如微机械剥落，超临界流体，机械裂解和电化学剥落，是一些已建立的合成方法。

石墨烯衍生物用煤

煤是由于自然煤化过程而形成的，通常用于产生电能。煤的三维框架由各种无机和有机材料组成，形成复杂的非均相混合物。煤的有机结构域构成芳香族/水芳族和脂肪族碳环结构，通过脂肪族/醚键相互连接。另一方面，无机对应物含有硫酸盐，粘土，硅酸盐，碳酸盐，黄铁矿和游离矿物的成分。

煤中的芳香族/水芳族/杂环缩聚碳环通过醚、亚甲基和芳香族碳-碳键连接，在其结构基质内形成迷人的有机框架。

无烟煤具有高度的煤化程度，具有几种sp²杂交碳微杂晶。先前报道的台西无烟煤是从煤中制备的，其中原煤最初在2400摄氏度下通过石墨化两小时并在硫酸铁（III）（Fe）的存在下转化为石墨状碳材料。₂（所以₄)₃）作为催化剂。后来，石墨状碳材料通过悍马的方法被氧化成石墨状碳氧化物。

另一方面，作为煤衍生石墨烯薄膜的原料合成的烟煤涉及初始电解，然后是化学气相沉积（CVD）过程。在电解过程中，使用具有4摩尔浓度的硫酸作为电解质的煤电解池。

40毫摩尔硫酸铁（II）七水合物和40毫摩尔Fe₂（所以₄)₃被用作铁离子的来源，同时在阳极溶液中添加煤。后来，将得到的煤焦用CVD系统电解处理。

用于石墨烯衍生物的低成本碳质前体（LCP）和生物质

生物质基材料由于其结构和化学优点，操作简单，成本低廉，被广泛用作石墨烯前体。之前的一份报告提到花生壳作为农业废弃物生物质，通过探针超声合成少层石墨烯。据报道，草和蟑螂腿等其他生物来源也是获得高质量单层石墨烯衍生物的前体。

基于LCP的材料是大规模生产具有最佳质量的低成本石墨烯的原材料。基于LCP的石墨烯衍生物的高产量和可扩展性的优势使其适用于传感器，储能，水处理和催化。由于石墨烯作为电极材料广泛用于储能器件，基于LCP的石墨烯衍生物可以满足制造储能器件所需的高质量、低成本石墨烯的需求。

结论

总而言之，天然丰富、低成本的碳质材料被发现是生产商业石墨烯的负担得起且合适的来源。基于LCP的石墨烯衍生物在其储能应用中表现出优异的电化学性能。尽管石墨作为商业化的石墨烯前体很重要，但像煤这样的低成本碳材料满足了对商业上获得的具有成本效益的高质量石墨烯衍生物的需求。

此外，石墨烯合成中使用的原材料和合成方法对石墨烯特性有很大影响。LCP原料可以作为煤炭的有效替代前体，在经济上实现石墨烯衍生物的大规模商业化。

参考

Tamuly, J .,  Bhattacharjya, D., Saikia, BK. (2022). Graphene/Graphene Derivatives from Coal, Biomass, and Wastes: Synthesis, Energy Applications, and Perspectives. Energy and Fuels. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.energyfuels.2c00976