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《美国研究人员开发出一种从煤炭中低成本制备石墨烯的方法》

  • 来源专题：先进材料
  • 编译者： 李丹
  • 发布时间：2023-10-22

  • 据弗吉尼亚理工学院网站10月17日消息，美国弗吉尼亚理工学院（Virginia Polytechnic Institute and State University，VT）的研究人员开发出一种从煤炭中制备石墨烯的方法，可大幅降低石墨烯生产成本。目前的石墨烯制备工艺以石墨为原料，在制备过程中需要使用硫酸、高锰酸钾、硝酸钠和过氧化氢等危险化学品。新方法以煤炭（煤炭碳含量为60%-80%，而石墨碳含量接近100%）为原料，仅需使用一种危险化学品硝酸，减少了对环境的影响以及对人员健康的风险，并且大幅降低原料成本。研究人员先将原煤块磨成粗粉，再用化学方法去除粉末中的金属亚硫酸盐和灰分等杂质后放入硝酸浴中，将煤转化为氧化石墨烯，最后排出酸并去除未反应的碳，制备出氧化石墨烯粉末，经过热处理后转化为石墨烯。该方法无需消耗石墨且对环境友好，具有规模化应用潜力。


    来自全球技术地图

  • 原文来源：https://news.vt.edu/articles/2023/10/eng-me-mahajan-graphene-coal.html
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  • 《颜宁团队发《PNAS》：首次开发出制备单层石墨烯膜材料新方法》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2020-01-03
    • 冷冻电子显微镜（cryo-EM）提供了一种有效的方法来研究生物大分子的结构。直接电子检测和先进算法的技术突破使cryo-EM能够以接近原子的分辨率绘制生物大分子的精确结构细节。随着cryo-EM的扩展，许多研究人员的共同看法是cryo-EM的瓶颈在于样品制备。Cryo-EM要求将蛋白质颗粒悬浮在薄薄的玻璃化冰中以避免变性。为了实现这一点，无定形碳膜和多孔碳网格已被广泛使用。碳膜（通常为20 nm厚）不可避免地会引入电子散射，这会增加噪声并降低图像分辨率。 因此，有孔的碳网格（可在孔区域中形成溶液层）已被认为是用于高分辨率单粒子分析的首选冷冻电磁网格。但是，其并不适用于所有蛋白质。尽管有些蛋白质更喜欢附着在碳膜上而无法进入孔中，但另一些蛋白质却以折衷的方式停留在空气-水界面上。另外，冰厚度的不均匀性使得难以在整个网格上搜索薄冰区域，其中图像对比度对于高分辨率图像处理是最佳的。由于稀薄的冰块和高蛋白密度是蛋白质结构高分辨率重建的关键，因此可以解决这些问题将使cryo-EM受益。 2019年12月26日，颜宁团队在国际权威期刊PNAS上发表题为“High-yield monolayer graphene grids for near-atomic resolutioncryoelectron microscopy”的文章，开发了一种更方便，成本更低的方法来制造高质量的石墨烯冷冻EM网格用于单颗粒冷冻EM分析。 研究团队通过使用有机分子辅助转移方法将连续的单层石墨烯从其原始基板铜箔转移到多孔碳栅格上来制造石墨烯冷冻EM栅格。在转移过程中，通过使用一层薄的甲基丙烯酸甲酯（MMA）支撑石墨烯，该方法可以使悬浮的石墨烯非常高地覆盖孔区域。 来自不同地区的统计数据表明，悬浮的单层石墨烯的平均产率约为99％，高于任何先前报道的功能性石墨烯冷冻EM网格。使用这种方法获得的高石墨烯产量在批次之间是一致的。此外，清洁工艺足以去除大多数有机分子残留物并获得清洁的石墨烯表面。整个制造过程大约需要几个小时，并且可以批量生产多达数百个网格，而无需特殊的设备或大量的试剂。 冷冻电子显微镜（cryo-EM）代表了生物大分子结构测定的前沿技术。然而，与低温样品制备相关的技术挑战限制了cryo-EM无法实现更广泛的目标物的更高分离度。 该研究证明了高产量的单层石墨烯支撑膜改善了低温样品的质量。到目前为止，使用这种方法，已经通过cryo-EM和最少的数据集实现了最小蛋白质的最高分辨率结构。该技术为更接近原子分辨率的cryo-EM的更通用的冷冻样品制备铺平了道路。
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  • 《怀俄明大学的研究人员从煤中提取石墨烯》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2017-12-14
    • 怀俄明大学的一些研究人员正在研究“增长”型的石墨烯和其他碳材料的使用方法。这项由Patrick Johnson副教授领导的研究，主要的一个方面是寻找怀俄明主要矿产的其他用途。 Johnson说：“所有这些特殊碳素材料的特点是：它们对某些应用具有特殊的性能。”因此，石墨烯具有高导电性，高导热性，有一些传导性是所有材料中最好的。 “碳工程倡议”(Carbon Engineering Initiative)支持整个校园内的各种交叉项目，旨在将怀俄明州以提取为基础的经济转变为专注于开发和制造先进材料的经济模式。大学能源学院新兴项目和技术副主任Richard Horner说：“我们正在努力的方向是从煤炭中获得非能源和非燃料产品。因此，我们的研究重点是为怀俄明煤炭开辟新的市场。” 该倡议还调查了除煤以外的其他来源的碳材料，其潜在应用价值是为这些材料与煤基材料的结合使用提供可能性。 Johnson的主要研究集中在石墨烯领域，因为它具有非凡的性能，并具有潜力来革新各个行业。石墨烯在2004年首次被分离和表征，是世界上迄今为止测试的最强的材料，也是高导电性的材料，目前美国各地的大学研究都在研究它。与Johnson一起工作的化学工程硕士学生Michael Seas说：“石墨烯研究是世界上最为激烈和最具竞争力的研究领域。” 他说：“自2004年以来，大约有一万种出版物引用了两三年前的文章。石墨烯的研究非常受欢迎，你可以看看几乎美国所有的大学，他们中肯定会有一两个研究石墨烯的研究人员。” 碳工程倡议将煤看作不仅仅是一种可燃的燃料来源。Seas解释说，煤炭有三个主要成分：固定碳，挥发物和无机灰分。 他说：“一般来说，当你燃烧煤炭时，你正在燃烧的是固定碳和挥发性物质。我们试图提取煤的挥发性成分来变成有经济效益的热固性塑料，而不是烧掉这些东西。我们留下的是固定碳部分和这种无机灰分。” Johnson和Seas正在研究从这些从剩余部分生长出石墨烯的方法或路线。Seas说：“我们的高温路线实际上是将剩下的部分石墨化，所以，现在我们可以安全地提取灰分，收集灰分，然后把这种石墨材料留下，这样就可以用这些不同的路线来合成氧化石墨烯，石墨等物质。”石墨烯以及更多来自煤炭的碳材料，例如金刚石纳米管，UW研究人员正在通过先进技术探索它们可能的应用。 Johnson和Seas碳研究物理应用助理教授Bill Rice说：“虽然其他地方的研究人员一直在开发基于碳的电子产品，但他们通常使用的是比煤炭更清洁和更昂贵的原料。”在Rice Spectroscopy实验室进行的项目解决了煤炭生长碳素材料的潜在应用价值，如制作更便宜的触摸屏和建造更安全的飞机机翼。 Rice说：“不能保证这些应用会导致经济多样化，但是有几个项目同时进行的时候，煤-技术路线有朝一日能够加强国家经济。Rice说：“他们投入了一些有风险和一些涉及工作的东西。所以，他们投入的200万美元资金，能够进行大量的研究活动。” 碳工程倡议要求化学工程师、机械工程师、化学家和物理学家合作开发煤技术路线。Rice说：“我了解电子学和光学。不过关键是需要别人一起去努力，把煤炭变成一个好的碳源。”Johnson和Seas正在试验不同的路线，未来会将怀俄明州廉价而丰富的原料煤转化为更有价值和多用途的石墨烯。 目前研究中使用的大部分石墨烯都来自矿石石墨。石墨烯是从石墨衍生而来的，一克石墨烯花费超过100美元。Johnson说：“我们的研究目标是从煤炭原材料中获得石墨烯，煤炭既便宜又容易得到，同时还能够提取其他一些组分。”研究人员打算申请石墨烯研发方法的专利，即使这些方法应用于非煤原料，这也可能对国家的经济有用。 Seas说：“这个想法是，如果我们在这里研发技术，那么国家会得到这项技术和专利，因为怀俄明大学会得到这项专利，如果这个技术在业界中使用，那么你就可以得到这些版税。但是我们关注的主要焦点是我们能不能从煤炭做起，然后把它扩展到其他系统。”
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