石墨烯粉体

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当代炼金术!石墨烯可高效回收电子垃圾中的黄金 | 清华大学《Nature》子刊

2022-08-24 16:27:09

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研究背景


  金作为电的良导体在电子产品和消费品等领域广为应用。随着电子产品更新换代速度的加快,电子垃圾已成为全球可持续发展的重大挑战之一,因此从电子垃圾中回收金资源对实现循环经济发展有重要意义。


研究成果


  近日,清华大学深圳国际研究生院苏阳助理教授、中科院深圳理工大学(筹)和深圳先进技术研究院成会明院士,以及诺贝尔物理学奖得主、曼彻斯特大学Andre Geim教授等人发现一种基于还原氧化石墨烯制备的石墨烯材料对电子垃圾中痕量的金资源具有超强的提取能力,无需外加能量和其他材料与化学品,这种石墨烯材料就可对金离子进行快速吸附并同时还原得到纯金颗粒。该材料对浓度仅为10 mg/L含金溶液的吸附容量可达1.85 g/g,即使金离子浓度低至0.00002 mg/L时也能对其实现有效的提取吸附。相关工作以“Highly efficient and selective extraction of gold by reduced graphene oxide”为题发表在国际期刊《Nature Communications》上。

  该论文第一作者为清华大学深圳国际研究生院2020级博士生李飞,共同第一作者为博士后朱九一,论文作者还包括曼彻斯特大学孙鹏展博士、清华大学深圳国际研究生院邹小龙副教授、博士后李振庆等,本工作得到了清华深圳国际研究生院科研启动基金和深圳盖姆石墨烯中心的资助。


图文速递


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图1 高效提取痕量金


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图2 金吸附机理研究


研究发现,这类石墨烯材料的微观结构决定了其对金的吸附性能,其石墨烯区域和含氧官能团区域(氧化区)共同发挥作用是实现其优异的金吸附提取性能的关键。其中石墨烯区域可以自发地将金离子还原为金属态金,与此同时氧化区提供了良好的分散性,保证了石墨烯的大比表面积及对金离子的高效吸附。而且石墨烯材料可以对金离子实现精准的选择性吸附。通过调控其含氧官能团的质子化过程,石墨烯在几乎不吸附共存的其他金属元素的前提下,可以从电子垃圾中精准地提取金。此外,该团队还发展了一种基于石墨烯薄膜的连续金吸附方法,适于规模化生产,可高效、连续地从电子垃圾中回收金资源。值得指出的是,由于采用商用氧化石墨烯为原材料,其成本远低于金价,因此该石墨烯材料具有大规模应用的经济可行性,为解决金资源可持续性发展和电子垃圾的双重挑战提供了一个新的解决方案。 


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图3 精准选择性提取金


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图4 使用石墨烯基薄膜连续回收金


研究小结


  从经济角度来看,整个金回收工艺是可行的。对于连续回收金工艺,如果将50%的提取效率定义为还原氧化石墨烯薄膜的寿命,那么在1 bar的压力下,1 m2的膜(< 3 g)可以从约20吨100 ppb(金浓度)的电子垃圾析出液中提取约1.6 g的金。氧化石墨烯的成本不到0.5元/克,黄金价格约为300元/克,该工艺具有超强的提金能力、精准的选择性并且可大规模制备,这项工作有助于实现金资源的可持续发展以及解决全球电子垃圾不断累积的挑战。


文献信息:

Fei Li et al, Highly efficient and selective extraction of gold by reduced graphene oxide, Nature Communications (2022).  DOI: 10.1038/s41467-022-32204-4

https://www.nature.com/articles/s41467-022-32204-4


来源:公众号【Carbontech】


氧化石墨烯:

氧化石墨烯(graphene oxide )是石墨烯的氧化物,一般用GO表示,其颜色为棕黄色,市面上常见的产品有粉末状、片状以及溶液状的。因经氧化后,其上含氧官能团增多而使性质较石墨烯更加活泼,可经由各种与含氧官能团的反应而改善本身性质。

氧化石墨烯薄片是石墨粉末经化学氧化及剥离后的产物,氧化石墨烯是单一的原子层,可以随时在横向尺寸上扩展到数十微米。因此,其结构跨越了一般化学和材料科学的典型尺度。氧化石墨烯可视为一种非传统型态的软性材料,具有聚合物、胶体、薄膜,以及两性分子的特性。氧化石墨烯长久以来被视为亲水性物质,因为其在水中具有优越的分散性,但是,相关实验结果显示,氧化石墨烯实际上具有两亲性,从石墨烯薄片边缘到中央呈现亲水至疏水的性质分布。因此,氧化石墨烯可如同界面活性剂一般存在界面,并降低界面间的能量。其亲水性被广泛认知。


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