全球花生产量每年产生超过10万吨废弃外壳，如今科学家发现了一种将这种生物质转化为类石墨碳材料的方法。

石墨烯以碳为基础，常被称为“神奇”材料：它非常坚固、重量极轻，且是热和电的良好导体。目前它已得到广泛应用，并有望在未来显著提升消费电子产品性能。

然而，大规模生产图灵也很困难，制造成本高昂，因此开发出其他制备石墨烯的方法，将显著推动能源系统、数据存储及其他现代技术的发展。

由澳大利亚新南威尔士大学（UNSW）团队领衔的新研究显示，常见的花生壳有望提升石墨烯的产量，且其生产方式比一些传统石墨烯合成方法更便宜、更环保。

“大部分壳体废弃物要么被丢弃，要么被回收用于低价值的应用，而这些应用并未充分发挥其全部潜力，”新南威尔士大学机械工程学家顾耀华表示。

我们在本研究中证明，利用基本的花生壳可以制成高质量的石墨烯，所需能量远低于目前的水平，因此成本也更低。我们还无需使用任何化学品，从而带来了额外的环境效益。

该过程的关键是天然高分子物质木质素，它富含碳元素，广泛存在于各种植物中。此前已知木质素存在于花生壳中，但研究人员需要摸索出最合适的加工方法。

团队曾测试了多种方法，用于处理壳类废弃物以释放其中的木质素，在此之前会采用一种名为“瞬时焦耳加热”（FJH）的工艺。该工艺通过瞬间通电，使材料在几毫秒内升温至超过3000摄氏度（5432华氏度）。这种瞬间高温使碳原子重新排列形成石墨结构，包括少层涡旋石墨烯。

虽然FJH承担了大部分工作，但如何为FJH准备壳层至关重要。研究人员发现，最佳方案是分阶段预处理，即在约500°C下进行5分钟的间接焦耳加热，随后再进行一个短暂的高温步骤。

这一过程去除了杂质，并将壳层转化为炭——一种碳含量更高的材料，其导电性远高于原始壳层。

“这个过程对于去除杂质、获得最优质的碳富集材料至关重要，能够确保最终的石墨烯中缺陷最少，并且确实只由单层原子构成，”叶欧表示。

那就是你想要的，也是你需要确保它在导电和导热性能上达到最佳的表现。

尽管此前已有研究尝试过将花生壳转化为石墨烯的流程，但本项研究强调，通过精心控制前驱材料可以显著提升所得石墨烯的质量。

这并不意味着该过程已经完美。所获得的石墨烯材料在质量上表现优异，但通常由几层石墨烯以涡旋状结构堆叠而成，研究人员指出，该技术要实现商业化应用，可能需要三到四年的时间进行规模扩大。

后续将在此实验室概念验证基础上进一步优化该工艺。在此期间，研究人员希望了解他们专有的制备和加热方法是否也能适用于其他类型的生物质。

“我们还计划对其他材料进行实验，比如咖啡渣、香蕉皮，或者任何能够产生良好碳层并转化为石墨烯的物质，”叶浩说。

考虑到如此多的有机材料可供使用，我们的研究显示，在能量效率、最终获得的石墨烯质量以及整个工艺的经济可行性之间取得了良好的平衡。

该研究已发表于《化学工程进展》。