聯(lián)合諾獎(jiǎng)得主發(fā)現(xiàn)石墨烯可用于高效回收電子垃圾中的金資源

近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院蘇陽(yáng)助理教授和合作者，發(fā)現(xiàn)了用石墨烯可以高效地、精準(zhǔn)地吸附水中的金資源。利用這一現(xiàn)象，他們展示了用石墨烯從電子垃圾中回收金資源。

這個(gè)工作的研究背景用一句話來(lái)總結(jié)就是，全球的金資源可持續(xù)發(fā)展和電子垃圾污染問(wèn)題。從金資源的可持續(xù)發(fā)展來(lái)看，在全球可持續(xù)發(fā)展的挑戰(zhàn)下，資源的可持續(xù)性發(fā)展無(wú)疑非常重要。

而金作為一種關(guān)鍵的資源，不光是在首飾上使用，在電子設(shè)備中的應(yīng)用更廣泛。這主要是因?yàn)榻鹁哂蟹浅８叩碾妼?dǎo)率和化學(xué)穩(wěn)定性，我們的電子設(shè)備比如手機(jī)、電腦的很多部件，都需要一層金鍍層來(lái)保證良好的電接觸以及穩(wěn)定的信號(hào)傳輸。

如果仔細(xì)思考這樣的金資源供求關(guān)系的話，就會(huì)發(fā)現(xiàn)存在一個(gè)非常明顯的不平衡。簡(jiǎn)單來(lái)講，金是一種不可再生資源，它在地殼的儲(chǔ)量是有限的。但從我們常用電子設(shè)備的使用周期來(lái)看，比如手機(jī)一般1年～3年就更新?lián)Q代了，如果這些廢棄手機(jī)里的金資源不能有效回收的話（實(shí)際上，目前全球?qū)﹄娮永幕厥章识嫉陀?0%），那么這部分金資源就浪費(fèi)了。

當(dāng)然一部手機(jī)上并沒(méi)有多少金，但如果把這種情況放大到全球范圍，我們浪費(fèi)的金資源的量就非?？捎^了。這意味著，人類使用了大量的金資源，卻并沒(méi)有把它有效地回收，如果持續(xù)這樣進(jìn)行下去的話，未來(lái)的某一天，就沒(méi)有足夠的金資源供人類使用。

而對(duì)電子垃圾污染來(lái)說(shuō)，因?yàn)殡娮永邪牟牧戏N類繁多，就金屬材料來(lái)看，它就包含了銅、鎳、金、鉛、錫、鋁、鉻等。電子垃圾的回收意味著要把不同材料的材料從電子垃圾中分離、純化出來(lái)，這些材料才能重新被使用。

目前，全球電子垃圾的回收率低于 20%。金是電子垃圾中經(jīng)濟(jì)價(jià)值最高的元素，因此高效、高選擇性地從電子垃圾中提取金資源，將可能推動(dòng)電子垃圾的回收率，為解決電子垃圾污染提供新的方案。

回到研究工作本身，石墨烯與金離子的交互作用其實(shí)在2010年就有報(bào)道，但這主要是應(yīng)用于金離子對(duì)石墨烯進(jìn)行摻雜，調(diào)控其電子結(jié)構(gòu)。

而該團(tuán)隊(duì)從材料結(jié)構(gòu)出發(fā)，采用了石墨烯的衍生物（還原氧化石墨烯）來(lái)研究其對(duì)金離子的吸附，探索其從廢棄含金資源中提取金，這對(duì)于石墨烯領(lǐng)域是一個(gè)新的發(fā)現(xiàn)。而從金離子的提取吸附材料來(lái)看，此前很多納米多孔材料都報(bào)道過(guò)類似的用途。

此次工作發(fā)現(xiàn)石墨烯對(duì)金的吸附能力比現(xiàn)有材料高近一個(gè)數(shù)量級(jí)，且在14種共存元素的條件下，能夠?qū)饘?shí)現(xiàn)精準(zhǔn)吸附，這也是過(guò)去的研究沒(méi)有或很難達(dá)到的。

近日，相關(guān)論文以《還原氧化石墨烯高效、選擇性提取金》為題發(fā)表。

中科院深圳理工大學(xué)（籌）和深圳先進(jìn)技術(shù)研究院教授成會(huì)明院士，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主、曼徹斯特大學(xué)及清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院蓋姆石墨烯中心教授安德烈·蓋姆和清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院助理教授蘇陽(yáng)為論文通訊作者，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2020級(jí)博士生李飛和博士后朱九一為共同第一作者。

總體來(lái)講，審稿人對(duì)此次報(bào)道的現(xiàn)象和石墨烯的金吸附性能是認(rèn)可的，但對(duì)闡述的機(jī)制有顧慮。當(dāng)然這是可以理解的。所以該團(tuán)隊(duì)花了很多工夫，做了不少實(shí)驗(yàn)去把機(jī)制盡量講清楚。

在研究的最開(kāi)始，課題組先篩選了一批石墨烯材料，博士生李飛大約花了1個(gè)月～2個(gè)月就選定了用維生素C還原的氧化石墨烯。接著他們花了大約半年時(shí)間，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、以及探討實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象后面的機(jī)制，并進(jìn)一步做實(shí)驗(yàn)再驗(yàn)證。

這其中包括了一系列的金吸附實(shí)驗(yàn)，還有用真實(shí)的電子垃圾來(lái)做回收，并且開(kāi)發(fā)了基于石墨烯膜的連續(xù)金吸附工藝。有了這些堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)后，該團(tuán)隊(duì)和諾獎(jiǎng)得主&英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的安德烈·蓋姆教授大約花了1個(gè)月～2個(gè)月的時(shí)間反復(fù)討論了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，他們做了更定量的剝離石墨烯對(duì)金的吸附實(shí)驗(yàn)，蘇陽(yáng)等人也進(jìn)一步添加了更多的實(shí)驗(yàn)來(lái)把實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象理解得更清楚。前后大約用了一年時(shí)間最后定稿。

蘇陽(yáng)說(shuō)：“研究中，成會(huì)明老師和蓋姆教授提出了很多我們之前沒(méi)有想到的問(wèn)題和假設(shè)，鼓勵(lì)我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論去驗(yàn)證或排除這些假設(shè)，我們也通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)將結(jié)果做得更完整。再者就是要做有用的研究。”

期間，這兩位科學(xué)家提出要把蘇陽(yáng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果在真實(shí)場(chǎng)景下去驗(yàn)證，建議并鼓勵(lì)他測(cè)試了不同的實(shí)際場(chǎng)景下石墨烯的金提取性能。

石墨烯原料的成本是其所能提取的金成本的百分之一，甚至更低。結(jié)合其高效和精準(zhǔn)的金提取性能，蘇陽(yáng)認(rèn)為其實(shí)驗(yàn)結(jié)果或可用于高效、精準(zhǔn)地從電子垃圾中提取金。另一個(gè)可能的潛在應(yīng)用是，目前半導(dǎo)體和電子工業(yè)過(guò)程中，鍍金的電鍍液濃度降低到一定程度后，就不能再使用了。因此，他們目前正在研究，能否用石墨烯從這些低濃度的電鍍廢液中回收金。

當(dāng)下，他們還在持續(xù)地做這個(gè)研究，從基礎(chǔ)研究的角度來(lái)看，仍然有很多現(xiàn)象值得進(jìn)一步探索。這里因?yàn)檫€沒(méi)有清晰的結(jié)論，所以在這里不詳細(xì)展開(kāi)。從應(yīng)用來(lái)看，其目前正在嘗試放大實(shí)驗(yàn)。另外，基于石墨烯膜的連續(xù)吸附更可能直接應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程中，但還有很多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象需要深入探索，以及他們也在持續(xù)跟進(jìn)大面積制備的技術(shù)難題。