科學(xué)家和創(chuàng)新者渴望開(kāi)發(fā)新材料和新產(chǎn)品，例如石墨烯，讓消費(fèi)者能夠從技術(shù)改進(jìn)和進(jìn)步中獲益。然而，鑒于全球氣候變化及其對(duì)人類(lèi)影響的風(fēng)險(xiǎn)迅速增加，制造商有責(zé)任了解其工藝和產(chǎn)品對(duì)環(huán)境的影響。
制造商評(píng)估產(chǎn)品或服務(wù)的潛在環(huán)境影響的一種方法是生命周期分析 (LCA)。然而，對(duì)于石墨烯相關(guān)材料等許多產(chǎn)品而言，這可能是一個(gè)復(fù)雜而微妙的過(guò)程。雖然國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織根據(jù) ISO 14040 和 14044 提供了進(jìn)行生命周期評(píng)估的指南和要求，但仍然需要使該過(guò)程更易于訪(fǎng)問(wèn)。
在 HydroGraph，我們致力于承擔(dān)環(huán)境責(zé)任，并在石墨烯生產(chǎn)中使用環(huán)保和綠色工藝。
石墨烯：一種潛力無(wú)限的納米材料
由于石墨烯的市場(chǎng)和應(yīng)用幾乎是無(wú)限的，它似乎在快速發(fā)展，但必須克服一些困難，包括價(jià)格、純度、一致性、能源需求和生態(tài)不友好的過(guò)程。石墨烯是一種即將在商業(yè)市場(chǎng)上爆發(fā)的“超級(jí)材料”，它比鋼更堅(jiān)固，比金剛石更硬，比銅更導(dǎo)電，比硅的電子遷移率更好。該產(chǎn)品添加到其他材料中以增強(qiáng)強(qiáng)度、耐水性、柔韌性、導(dǎo)電性；它還通過(guò)改進(jìn)電池、太陽(yáng)能電池板和超級(jí)電容器技術(shù)來(lái)支持清潔能源。
石墨烯有多種形式，生產(chǎn)石墨烯有兩種主要途徑：一種稱(chēng)為自下而上，另一種稱(chēng)為自上而下。例如，化學(xué)氣相沉積或 CVD 可生產(chǎn)薄膜、單層石墨烯。這是一種自下而上的方法，因?yàn)樗鼜姆肿犹荚撮_(kāi)始，并在原子水平上構(gòu)建石墨烯結(jié)構(gòu)。另一種方法是以良好成型的石墨為起點(diǎn)，通過(guò)剝離母體石墨顆粒獲得單層石墨烯。這種方法稱(chēng)為自上而下。石墨烯也有多種形式，如雙層、少層和多層石墨烯。更復(fù)雜的是，還有不同的幾何形狀，納米片、納米帶、納米球體、納米多面體和分形石墨烯等。
測(cè)量環(huán)境影響
無(wú)論來(lái)源或生產(chǎn)路線(xiàn)如何，這些過(guò)程及其對(duì)環(huán)境的影響都有一些明顯和不明顯的問(wèn)題。
一種方法是標(biāo)準(zhǔn)生命周期評(píng)估或 LCA 方法，采用多種措施或參數(shù)來(lái)量化過(guò)程對(duì)環(huán)境的影響，包括累積能源需求 CED、全球變暖潛能 GWG、累積用水 CWU、臭氧消耗潛能 ODP 等。
首先必須定義分析發(fā)生的邊界，無(wú)論是從搖籃到大門(mén)還是從搖籃到墳?zāi)沟取?br />
然后，選擇產(chǎn)品的功能單元，即 1 千克石墨烯粉末，是然后估計(jì)每個(gè)功能單元的關(guān)鍵影響參數(shù)。
一個(gè)常見(jiàn)參數(shù)是過(guò)程中的能源使用，它與環(huán)境影響直接相關(guān)。生產(chǎn)一種物質(zhì)的累計(jì)能量需求有兩部分：一是原材料消耗的能量，二是實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中消耗的能量。
例如，乙炔和氧氣可用作分形石墨烯生產(chǎn)的原料。這兩種元素被放入一個(gè)密閉容器中，混合物被微小的電火花點(diǎn)燃，立即產(chǎn)生大塊石墨烯粉末。由于該過(guò)程是沒(méi)有任何催化劑的氣相反應(yīng)，因此生成的石墨烯是元素純的；碳含量為 99.8%，批次之間非常一致。
與能源需求量大的工業(yè)石墨烯生產(chǎn)方法相比，這種工藝在能源需求方面具有環(huán)境優(yōu)勢(shì)。事實(shí)上，乙炔和氧氣的爆炸反應(yīng)是一種放熱反應(yīng)，對(duì)于生產(chǎn) 2.7 MJ/kg 石墨烯的 LCA 工藝，每 kg 石墨烯產(chǎn)生極小的 CED。為了正確看待這個(gè)數(shù)字并理解能量的大小，如果你看一種非常常見(jiàn)的材料，如鋁，而不是納米材料，只是一種傳統(tǒng)材料，使用非常成熟的生產(chǎn)工藝，每公斤鋁需要 200 MJ經(jīng)過(guò)一個(gè)多世紀(jì)的改進(jìn)。
要獲得總 CED，必須添加乙炔和氧氣的貢獻(xiàn)值，這取決于原材料的來(lái)源。如果不使用水，CWU 為零，副產(chǎn)品商品氣體可以被捕獲并用于其他應(yīng)用。
但是，描述產(chǎn)品或過(guò)程的影響需要更多。在石墨烯的情況下，必須測(cè)量對(duì)人類(lèi)、動(dòng)物等的毒性。在學(xué)術(shù)出版物中越來(lái)越流行的一種方法是研究從搖籃到大門(mén)的影響，而不是從搖籃到墳?zāi)沟穆贸獭?br />
還應(yīng)考慮石墨烯應(yīng)用對(duì)環(huán)境的影響，這種影響可能很多。由于這些應(yīng)用途徑發(fā)生在石墨烯從生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)或大門(mén)運(yùn)出之后，因此稱(chēng)為從大門(mén)到墳?zāi)沟脑u(píng)估。因此，在比較不同的石墨烯生產(chǎn)方法時(shí)，應(yīng)該優(yōu)先考慮從搖籃到大門(mén)的分析。然后，一旦定義了應(yīng)用程序，就要考慮生命周期的所有方面，例如運(yùn)輸、應(yīng)用程序流程、報(bào)廢以及最后的處置。
這是一個(gè)長(zhǎng)期涉及的過(guò)程，但石墨烯生產(chǎn)商對(duì)開(kāi)發(fā)最穩(wěn)定和對(duì)環(huán)境有利的方法有共同的興趣。世界取決于它。
摘自《The Graphene Council》網(wǎng)站
