芝加哥大学《Small》：以木材为原料制备石墨和石墨烯导电油墨

材料分析与应用 · 公众号 · · 2024-10-30 16:31

正文

1 成果简介

石墨是许多行业常用的原材料，近年来对高品质石墨的需求不断增加，尤其是作为锂离子电池的主要成分。然而，石墨生产目前受到产量短缺、地理分布不均以及传统加工工艺对环境造成重大影响等因素的限制。本文，芝加哥大学 Mark C. Hersam 、 Stuart J. Rowan 等研究人员在《Small》期刊发表名为“ Sustainable Production of Biomass-Derived Graphite and Graphene Conductive Inks from Biochar ”的论文， 研究介绍了一种从生物炭中合成生物质石墨的高效方法，作为天然石墨和合成石墨的可持续替代品。 这种生物石墨的质量指标等同或超过了球化天然石墨，拉曼 ID/IG 比值为 0.051，与石墨烯层（La）平行的晶粒尺寸为2.08微米。这种生物石墨可直接作为液相剥离石墨烯的原始输入材料，用于规模化生产导电油墨。

生物石墨烯墨水的旋涂薄膜在所有生物质衍生石墨烯或碳材料中导电率最高，达到3.58±0.16×104Sm-1。生命周期评估表明，与天然、合成和其他生物衍生石墨材料的现有方法相比，这种生物石墨需要的化石燃料更少，产生的温室气体排放量也更低。因此，这项工作为生产最先进的石墨提供了一种可持续的、适合本地的解决方案，这种石墨适用于生物石墨烯和其他高价值产品。

2 图文导读

图1、石墨生产与这种生物石墨生产方法的概述的比较。

图2、优化生物石墨生产以及酸洗和不酸洗的铁和生物石墨的表征。

图3、缓慢冷却对生物石墨生产的影响。

图4、LCA 结果。

图5、生物石墨烯表征和打印性能。

3 小结

总之，本研究提供了一种从生物炭生产高质量生物石墨的创新且可持续的方法，生物炭是来自纤维素可再生柴油行业的可再生材料流。发现生物石墨产品的微晶尺寸和光谱质量指标等于或超过商业球化天然石墨。此外，生物石墨直接用于制造生物石墨烯纳米片，从而能够扩大生产用于电子设备组件的可旋涂和可丝网印刷石墨烯油墨。这些导电油墨的导电率值高达 3.58 × 10 4 S m −1 ，可与天然石墨衍生的薄膜相媲美，这使其成为使用完全生物质衍生的石墨烯材料实现的最高导电性薄膜。通过利用农业废弃物和生物质作物来制造生物炭，这种方法有望在当地生产石墨并减少排放，LCA 证实了这一点。总体而言，这项工作突出了生物石墨合成作为传统石墨生产方法的更可持续、更节能和低排放替代方案的潜力，预示着生物质废物利用的光明前景。

文献：

https://doi.org/10.1002/smll.202406669