研究背景
石墨烯是一種由sp2碳原子構成的二維材料，因其優異的電學、熱學和力學性能，廣泛應用于電子、傳感器、能源存儲等領域。與傳統的碳材料相比，石墨烯具有更高的導電性、強度和熱導率，因此在高性能材料開發中展現出巨大潛力。然而，石墨烯的制備通常依賴于石墨礦物的剝離，并采用高能耗、復雜的化學反應，這使得大規模生產面臨挑戰。此外，現有的制備方法常常需要在高溫、高壓和苛刻的化學環境下進行，帶來了能源消耗高、產率低、成本高等問題。因此，開發一種低能耗、低成本且環境友好的制備方法，對于石墨烯及其相關二維材料（GR2Ms）在更廣泛應用中的推廣具有重要意義。為了解決這一問題，清華大學郭慶輝、浙江大學王端超，美國西北大學J. Fraser Stoddart 等在“Nature Sustainability”期刊上發表了題為“One-step conversion of biomass to reduced graphene oxide at room temperature”的最新論文。該團隊設計了一種全新的脫水–縮合法，在室溫和常壓下，通過簡單的化學反應將生物質轉化為還原氧化石墨烯（RGO）。這一方法采用了濃硫酸作為唯一反應試劑，避免了傳統方法中的高溫和催化劑的使用，顯著降低了能耗和生產成本。該研究成功實現了從多種生物質來源（如纖維素、葡萄糖）制備出高質量的GR2M，并通過優化反應條件，獲得了33%的高質量產率。利用這一新型的脫水–縮合反應，該團隊不僅顯著提高了RGO的性能，還成功監測了RGO成核和生長的動力學過程，提供了一種更加綠色、可持續的石墨烯材料生產方法。與傳統方法相比，這種方法減少了98%的能量消耗，并且在不需要高端設備和復雜工藝的情況下，能夠實現在克量級的GR2M生產。此項研究為GR2M的可持續大規模制備提供了新的方向，并為材料科學和能源存儲等領域的應用拓展了新的可能性。
研究亮點
實驗首次通過一步脫水縮合法將生物質轉化為還原氧化石墨烯（RGO），成功實現了RGO的低能耗、高效制備。該方法僅需濃硫酸作為反應介質，在室溫和常壓下操作，能有效將生物質轉化為具有類似傳統RGO的碳材料，展現出極大的應用潛力。
實驗通過該方法，成功將不同類型的生物質和碳水化合物轉化為高質量的GR2Ms產品，且產率可達33%。這一轉化過程具有顯著的優勢，包括低能耗（比傳統方法減少了98%）和低成本，并能夠實現克規模生產，為大規模應用提供了可行性。
- 該方法通過溫和條件成功避免了高溫、高能耗和使用有毒化學品的問題，展示了可持續生產路徑相比傳統方法，該方法不僅實現了綠色環保，還為生物質資源的高效利用和石墨烯材料的生產提供了新的思路，推動了綠色化學在材料領域的應用。
圖文解讀
圖1: 室溫生物質轉化為石墨烯以及脫水-縮合dehydration–condensation，D–C 還原氧化石墨烯reduced graphene oxide，RGO表征。圖2: 生物質脫水-縮合D–C 還原氧化石墨烯RGO表征。圖4: 制備石墨烯相關二維材料graphene-related two-dimensional materials ，GR2M的脫水-縮合D–C方法與傳統方法比較。圖5:對脫水-縮合D–C反應中，石墨烯成核和生長行為的新認識。
總結展望
本研究提供了一種經濟且綠色的生物質轉化方法，打破了傳統石墨烯及其相關二維材料（GR2Ms）生產中對石墨礦物和高能耗技術的依賴，具有重要的科學啟示。首先，研究提出了一種在常溫、常壓下，無需催化劑的情況下，通過脫水縮合反應將生物質轉化為還原氧化石墨烯（RGO）的新策略。這一策略不僅降低了能耗，還簡化了生產過程，推動了石墨烯和GR2Ms的大規模制備，具備了可持續發展的潛力。其次，研究通過對不同生物質來源（如纖維素和葡萄糖）的實驗驗證，表明該方法具有廣泛的適用性，能夠有效轉化多種碳水化合物為高質量的GR2M。研究結果表明，相較于傳統的高能耗生產方法，本方法在能量消耗上實現了98%的減少，具有顯著的環境效益。最后，研究還為監測GR2M成核與生長動力學提供了新的實驗平臺，具有重要的技術和理論價值。因此，這一研究不僅為生物質轉化和石墨烯產業化提供了新的路徑，也為綠色化學和材料科學領域開辟了廣闊的研究空間。 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
