煤有复杂的一面-肮脏的碳可以用来制造各种有用的设备

时间:2020-04-28 22:41 来源:seo 作者:小可爱科技知识网 点击量:

煤有复杂的一面-肮脏的碳可以用来制造各种有用的设备

据麻省理工学院的一个研究小组称,柏油这种日常生活中用来密封车顶和车道缝隙的材料,其复杂性出乎人们的意料,也没有得到人们的重视:它可能有一天会被用作各种高科技设备的原材料,包括能源存储系统、热反应涂料和电子传感器。

不仅仅是焦油。杰弗里·格罗斯曼教授对其他化石燃料的看法也非常不同。他并没有把这些材料当作廉价商品来燃烧、封住裂缝或处理掉,而是看到了利用嵌入在这些古老的生物质衍生碳化合物混合物中的高度复杂的化学物质的广泛应用的潜力。

这类应用的一个重要好处是,它们提供了一种方法,可以重新利用那些本来会被燃烧、增加温室气体排放或被扔进垃圾填埋场的材料。格罗斯曼说,这些用途可能会导致对气候有害的煤炭和其他碳基材料的“绿化”。

在他的最新研究中,Grossman与博士后Xining Zang、研究科学家Nicola Ferralis以及其他五人一起,找到了利用煤、焦油和沥青来生产具有高度可控和可再生的导电性、孔隙率和其他特性的薄涂层的方法。利用激光,他们能够用便宜的、无处不在的材料制造出原型设备,包括一个用来储电的超级电容器、一个可弯曲的应变计和一个透明的加热器。

这项研究发表在《科学进展》(Science Advances)杂志上,探索了使用碳质重烃的替代方法。重烃是在数百万年的地质过程中,通过热量和压力对腐烂的植物物质进行处理而形成的。格罗斯曼说,这些材料提供了丰富多样的原子结构,具有不同的化学和结构特性,是任何合成的、加工过的碳基纳米材料所无法比拟的。

为了利用这些材料的特性,研究小组使用了一种称为激光退火的工艺,在基底上沉积碳质材料的超薄层。他们通过在不同碳基材料的层中沉积和蚀刻图案来生产特定的功能器件。

从某种意义上说,该团队所做的与传统的化石燃料加工相反,在这种加工过程中,碳氢化合物的复杂混合物经历了一个又一个阶段,分解化学键,分离出不同的化合物。在这部作品中,各种各样的重烃复合体使用一样,利用各种各样的属性中发现的不同materials-types煤炭、石油蒸汽裂缝的沥青,和中间相沥青,其中大部分都是副产品,通常需要处理或燃料迅速被淘汰。

通过选择合适的原料和改变激光脉冲的时间和强度来退火材料,该团队能够控制物理、光学、电学、磁性和其他特性的范围。他们说,通过组合不同的材料,可以在单一的基板上一次性生产出各种各样的设备。

“我们可以制造任何东西,从石墨烯到某种富芳香族聚合物,”Ferralis说,“其性质可以发生广泛变化,从热绝缘体和电绝缘体,到热导体和电导体。”我们可以改变孔隙率,这样我们不仅可以制造固体薄膜,还可以制造高度多孔的材料,这样我们就可以制造薄膜。”

他说,这种材料属性的分类可以混合和匹配,例如,可能创造出用于3d打印的各种碳质“墨水”。

“但不是改变颜色,”Ferralis说,“你实际上改变了前体的类型。你可以多添加一点焦油,少添加一点沥青,或者多添加一点我们在论文中强调过的其他东西。例如,在同一种薄膜中,可以根据需要制造一种薄膜,一种电子设备,一种能量存储系统,等等。”

这些材料几乎可以是任何一种重烃,其中许多是石油生产或化学加工的废料。Zang说:“本质上,我们寻找的是任何含有大量芳烃的物质,也就是人们不知道如何处理的重烃。”“所以我们对于我们可以使用什么是相当不可知的。”

通过使用精确定时和优化脉冲二氧化碳激光器,团队可以控制涂层材料的属性,爆破与脉冲,能产生高度本地化的气温高达2000摄氏度,而周边地区影响,这个过程可以进行甚至塑料等软基板,他们说。

格罗斯曼说:“我们有这种高度不均匀、混乱的原料,但它非常便宜,而且富含有用的化学物质。”我们的想法是充分理解它,以便能够“应用简单的、可伸缩的制造工具,以便我们能够利用这种理解,使它为我们做一些不同的事情。”简而言之,他说,“我们发现这种材料之前被认为用途有限(例如,仅仅作为一种燃料来燃烧),通过了解它的原子结构,我们能够应用材料设计和工程原理,使其在更广泛的领域发挥作用。”

费拉里斯说,虽然这项初步工作的重点是薄膜,但原材料非常便宜,最终这些材料可能也会用于批量应用。“如果我们能把这个过程扩大到散装系统,这可能会用于结构材料,例如,或家庭绝缘。这些东西实际上需要很多材料。”他认为,这甚至可能为煤炭产区带来经济上的提振,目前这些地区正遭受着煤电产业崩溃的打击,它们将成为一个全新的高价值产品家族的生产者。

本故事由麻省理工学院新闻(http://web.mit.edu/newsoffice/)转载,这是一个涵盖麻省理工学院研究、创新和教学新闻的热门网站。

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