2022-06-17 12:07

对石油焦进行电击可以产生可持续的石墨烯

Electric shock to petroleum coke generates sustainable graphene

德克萨斯农工大学(Texas A&M University)和埃克森美孚(ExxonMobil)的研究人员正在开发一种将石油焦(原油提炼的副产品)再加工成可持续的、高价值替代品的方法。利用一种叫做电化学剥落的化学过程,他们将石油焦转化为石墨烯,石墨烯是一种纳米材料,应用于电子、医药和能源存储。

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

原油是多种不同碳氢化合物的混合物,轻的部分会转化为天然气,而重的部分会形成粘性甚至固体物质。提炼原油所产生的众多产品之一是固体石油焦。

虽然有很多方法可以利用石油焦,比如用电极来生产钢和铝,但这个过程会释放有害的碳排放。出于这个原因,该行业正在寻找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重新利用富含碳的石油焦来生成石墨烯,这是一种由单层碳原子组成的多功能片状材料。按照惯例,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石墨烯类材料,”德州农工大学阿蒂·麦克费林化学工程系教授米卡·格林博士说。“我们面临的挑战是将石墨烯从起始材料中分离出来。”

为了完成这项任务,研究人员转向了电化学。他们将焦炭与工作电极和对电极一起放入电解液中。当他们对工作电极施加电压时,电解质中的离子或负离子在石墨烯片层之间迁移,这个过程被称为插层。

格林说:“把焦炭想象成一本书,把石墨烯想象成一张纸。”“当这本书平躺在书脊上时,书页呈扇形展开,中间有更多的空隙。电化学剥落的过程是类似的。”

当焦炭膨胀时,石墨烯会分离。负离子被产生并进入石墨烯片之间的空间,完成焦炭副产物和石墨烯分离。

许多石墨烯应用都需要高导电性,但石油焦制备的石墨烯能否达到这种性能尚不清楚。由焦炭制成的石墨烯的导电性为50西门子/米,而典型的锂离子电池的导电性约为150-160西门子/米。通过一种称为退火的热处理,研究人员可以提高导电率,使其媲美锂离子电池的电极。

有了这些发现,石墨烯多年来的应用开发可能会取得成果。

格林说:“纳米材料规模化生产的未来与石化行业现有的生产流程直接相关,我预计会有更多的案例,将石油衍生化学品转化为石墨烯等高价值碳材料。”