大多数传统的石墨烯生产工艺都是耗时、耗费溶剂且耗能巨大的。为了克服这些限制，快速焦耳加热法(FJH)已被证明是一种合成石墨烯的有效方法。本文介绍了从橡胶废料中优化生产石墨烯的方法。通过对系统参数(如脉冲电压和脉冲时间)的仔细控制，可以从橡胶废料中产生涡轮层状闪蒸石墨烯(tFG)。
废旧橡胶是除废旧塑料外居世界第二位的废旧聚合物材料，它主要来源于废旧轮胎。由于废旧橡胶为热固性的聚合物材料，有着较高的韧性和弹性，很难发生 降解，而且回收利用工艺极其复杂，成本很高。因此，逐步推进或改善废旧轮胎处理方式，最大程度地循环利用废置的橡胶资源，不仅可以帮助解决国内资源匮乏问题，更对发展循环经济，建立节约型社会具有重大意义。
赖斯大学的科学家们优化了将橡胶轮胎的废料转化为石墨烯的工艺，然后可以将其用于增强混凝土。
化学家James Tour说，在混凝土中添加石墨烯的环境效益是显而易见的。
“混凝土是世界上生产量最大的材料，仅是它产生的二氧化碳排放量就占世界的9％。” Tour说，“如果我们在道路，建筑物和桥梁中使用较少的混凝土，那么一开始就可以消除一些排放。”
回收的轮胎废料已经被用作硅酸盐水泥的组成部分，但石墨烯已被证明可以在分子水平上增强水泥质材料，其中包括混凝土。
透射电子显微镜的图像显示了由莱斯大学(Rice University)生产的涡轮层状石墨烯的层间距，它是由废弃橡胶轮胎上的炭黑通过电流震动产生的。
图片来源：Tour 团队
每年有8亿个轮胎被丢弃，其中大部分被用作燃料或其他用途，其中16%最终被扔进了垃圾填埋场。
“即使将其中的一小部分作为石墨烯进行回收，也将使数百万的轮胎避免进入垃圾填埋场，” Tour说。
Tour和他的同事在2020年推出的“闪蒸”方法，已经被用于转换食物垃圾、塑料和其他碳源，将它们暴露在一波电流中，除去样本中除了碳原子以外的所有物质。
这些原子重新组装成有价值的涡轮层石墨烯，其错位层比石墨剥离产生的石墨烯更容易溶解。这使得它更容易在复合材料中使用。
事实证明，与食品或塑料相比，橡胶要转化为石墨烯更具挑战性，但实验室通过使用轮胎中的商用热解废橡胶来优化了工艺。Tour说，从废旧轮胎中提取有用的油之后，这种碳残留物至今的价值几乎为零。
可以将轮胎衍生的炭黑或碎橡胶轮胎与商用炭黑的混合物闪蒸成石墨烯。由于涡轮层状石墨烯是可溶的，因此可以轻松地将其添加到水泥中以制成更环保的混凝土。
该项研究由C-Crete Technologies的Tour和Rouzbeh Shahsavari领导，研究成果发表在Carbon期刊上。
赖斯实验室闪蒸了轮胎衍生的炭黑，发现大约70％的材料转化为石墨烯。当将切碎的橡胶轮胎与普通炭黑混合使用以增加导电性时，约47％的物质转化为石墨烯。除了碳之外的其他元素也被用于其他用途。
电脉冲持续300毫秒至1秒。实验室计算，转换过程中使用的电力每吨原料碳将花费约100美元。
研究人员将少量的轮胎衍生石墨烯(轮胎炭黑为0.1%重量/百分比(wt%)，炭黑和撕碎的轮胎为0.05 wt%)与硅酸盐水泥混合，用于生产混凝土圆柱体。经过7天的固化测试，圆柱体的抗压强度提高了30%或更多。28天后，0.1 wt%的石墨烯足以使两种产品的强度至少增加30%。
Shahsavari表示：“强度的提高部分归因于2D石墨烯的晶种效应，以促进水泥水合物产品的更好生长，另一部分归因于后期的增强作用。”
参考来源： Rice University；Carbon
文献链接：
https:///10.1016/j.carbon.2021.03.020
