《Biomass and Bioenergy》：Sustainable graphene from biomass via flash Joule heating: An innovative approach for cement mechanical performance
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生物质稻壳、稻草、玉米秸秆经闪存焦耳加热制备石墨烯并掺入水泥基复合材料，显著提升抗压强度（41.85%）和抗弯强度（23.52%），最佳效果源于玉米秸秆石墨烯的大尺寸、高结晶度和稳定层间结构。
苏晓莲|葛林月|黄珊|王欣业|谢浩|刘一强|刘玲琴|孟俊光|孟海宁
中国江苏省南京市南京师范大学能源与机械工程学院，邮编210023
摘要
石墨烯是水泥基复合材料中一种有前景的添加剂，但传统的合成方法仍然成本高昂且复杂。闪蒸焦耳加热（FJH）提供了一种快速、低成本且可扩展的方法，可以将富含碳的生物质转化为石墨烯，且无需水或化学试剂。在本研究中，稻壳、稻草和玉米秸秆被转化为闪蒸石墨烯（分别称为RH-FG、RS-FG和CS-FG），并应用于水泥基复合材料中。拉曼光谱、透射电子显微镜（TEM）和X射线衍射（XRD）分析证实，所有产品均为低缺陷的层状闪蒸石墨烯，质量优异。石墨烯显著提高了材料的力学性能，其中CS-FG的改善效果最为显著。当添加量为0.12 wt%时，CS-FG在3天、7天和28天时的抗弯强度分别提高了23.52%、21.40%和22.16%，抗压强度分别提高了40.71%、43.59%和41.85%。其优异的性能归因于其较大的片层尺寸、高结晶度以及稳定的层间结构，这些因素有助于填充微裂纹、降低孔隙率并使基体更加致密。FJH为生物质增值和提升水泥基材料的性能提供了一种经济高效且可持续的方法。
引言
水泥行业约60%的二氧化碳排放发生在熟料生产过程中[1]。尽管硅酸盐水泥因其快速凝固和抗冻性而仍是主要的建筑材料，但传统的水泥基复合材料仍具有较低的拉伸强度和高脆性。引入碳纳米材料可以显著改善材料的力学性能[2]，优化微观结构并提高耐久性。硅酸盐水泥作为主要的 cement 基材料，具有快速凝固率和优异的抗冻性，是最重要的土木工程材料，但传统的水泥基复合材料存在拉伸强度低和易开裂等缺点，这在一定程度上限制了其应用。将碳纳米材料引入水泥基复合材料中可以显著改善基体的力学性能[3]，优化微观结构并提高耐久性。石墨烯作为一种新兴的二维碳纳米材料，具有较大的比表面积、独特的层状结构、理论杨氏模量高达1.0 TPa、拉伸强度达130 GPa以及断裂强度达42 N/m，目前被认为是最坚固的材料之一[4]。添加石墨烯会直接影响水泥基复合材料的力学性能。当石墨烯的添加量在0.02 wt%到1 wt%之间时，材料的力学性能可以得到最佳改善，大部分力学性能的提升幅度在20%到40%之间[5][6][7][8][9]。改善水泥基材料的缺陷（如低韧性和高脆性）可以减少水泥组分的消耗，从而降低水泥行业的能源消耗和二氧化碳排放。
石墨烯是一种单层二维碳材料，具有sp2杂化的蜂窝状晶格[10,11]，展现出优异的光学、电学和力学性能，使其在材料科学、微纳制造、能源、生物医学和药物输送等领域有广泛的应用前景[10][12][13][14][15]。作为一种在纳米技术和材料科学中具有变革性的材料[16]，石墨烯因其出色的物理化学特性而成为研究热点[17,18]。
石墨烯通常通过自上而下的剥离法或自下而上的生长法制备[19]。自上而下的方法包括机械剥离、电化学剥离、液相剥离和氧化还原反应[20]，这些方法往往涉及复杂的工艺、使用对环境有害的溶剂，并且制备出的石墨烯存在结构缺陷。自下而上的方法，如化学气相沉积、在SiC上的外延生长和有机合成[21][22][23][24]，虽然能制备出高质量的石墨烯，但需要较高的能量输入、昂贵的设备和严格的操作条件，因此这些技术的高生产成本和复杂性限制了石墨烯的大规模应用。
2020年，Luong等人受到激光诱导石墨烯制备方法的启发[25]，将放电闪蒸焦耳加热技术应用于石墨烯的合成[26]。该技术可以从各种富含碳的材料（如炭黑、煤炭、废旧橡胶和塑料[26][27][28]）中制备出克级的石墨烯，并通过将这些废弃物转化为闪蒸石墨烯（FG）[29]来实现清洁生产，无需溶剂、催化剂或惰性气体。其简单的反应条件、快速的处理过程和低成本为石墨烯在水泥基材料中的大规模应用提供了巨大潜力。
生物质提供了清洁且可再生的碳源，通过闪蒸焦耳加热（FJH）将其转化为石墨烯为高价值资源的利用提供了有前景的途径。本研究探讨了FJH放电参数对生物质衍生石墨烯的质量和层数的影响，并评估了其在水泥基复合材料中的增强性能。
材料信息
材料
稻壳、稻草和玉米秸秆产自中国江苏省，接收时呈约2厘米长的段状。其主要成分是碳水化合物，其中碳含量约为40%，这也是资源回收和利用的主要价值所在。工业分析和元素分析结果分别见表S1和S2，测试样品为风干状态。
生物炭制备
三种类型的秸秆在厌氧气氛下使用管式炉（Nanjing Kaiser GSL-1600X）进行炭化
闪蒸焦耳加热制备与能量分析
将稻壳炭、稻草炭和玉米秸秆炭放置在电极之间，然后对电容器组进行充电以释放能量。通过调整放电电压和放电时间，可以改变样品内的峰值电流和能量，使样品在200毫秒内温度升至3000°C以上，并在几秒钟内冷却[26]，从而使样品中的碳键重新排列形成石墨烯结构。根据公式（1）可以计算出...
结论
在本研究中，我们采用闪蒸焦耳加热技术从稻壳、稻草和玉米秸秆中制备出了石墨烯，为从生物质前体生成结构独特的石墨烯提供了一种快速且可扩展的方法。其中，玉米秸秆衍生的石墨烯表现出最高的结构完整性，并在水泥基复合材料中提供了最显著的增强效果。当添加量为0.12 wt%时，其抗压强度和抗弯强度分别提高了41.85%
作者贡献声明
苏晓莲：撰写初稿、数据可视化、数据整理。葛林月：数据可视化、数据整理。黄珊：研究方法。王欣业：数据可视化、研究方法、资金获取。谢浩：研究方法。刘一强：研究方法、数据整理。刘玲琴：研究方法、数据整理。孟俊光：撰写、审稿与编辑、数据可视化、研究方法、资金获取、概念构思。孟海宁：指导、研究方法。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金青年科学基金（项目编号：52306146）和镇江科技计划（国际科技合作/港澳台科技合作/引进海外人才项目，项目编号：GJ2024013）的支持。本研究中使用的FJH设备（型号：FJH-2022A）由Saiyin Materials Co., Ltd提供。我们衷心感谢Saiyin Materials Co., Ltd的技术支持。
