这篇研究论文发表于2024年12月的《自然-可持续性》（*Nature Sustainability*）期刊第7卷，标题为“室温下将生物质一步转化为还原氧化石墨烯”。研究的主要作者包括Duan-Chao Wang（王端超，第一作者兼主要贡献者）、Jin-Ze Lv（吕金泽）、Shenjie Zhong（钟申杰）、Yuhang Wu（吴宇航）、Yang Liu（刘洋）、Sheng-Nan Lei（雷胜男）、Hou-Yong Yu（于洪涌）、Liangti Qu（曲良体）、J. Fraser Stoddart（通讯作者）以及Qing-Hui Guo（郭庆辉，通讯作者）。研究团队主要来自浙江大学、清华大学、西北大学等国内外知名机构。
该研究属于材料科学与可持续化学领域，旨在解决石墨烯及相关二维材料（GR2Ms）大规模生产中长期存在的瓶颈问题。目前，主流生产方法严重依赖不可再生的石墨矿物，且生产过程涉及高温高压、多步化学反应、使用危险试剂和高能耗，不仅成本高昂，也带来了环境和可持续性方面的挑战。与此同时，生物质作为自然界最丰富的可再生碳源，其高效、高值化利用是可持续发展的重要方向。然而，传统上将生物质转化为高品质碳材料（如石墨烯）通常需要超过800°C的碳化过程和超过2000°C的石墨化过程，能耗巨大。因此，开发一种在温和条件下将生物质直接、高效转化为高质量石墨烯材料的方法，对于推动石墨烯产业的绿色可持续发展具有重大意义。本研究的目标正是开发这样一种方法：在室温、常压、无催化剂、无需惰性气体保护的条件下，仅使用浓硫酸，通过一步反应将多种生物质和碳水化合物直接转化为性能与经典还原氧化石墨烯（rGO）相当的石墨烯相关材料。
本研究详细的工作流程可分为以下几个核心部分：
1. 核心反应方法的建立与验证 研究团队意外地发现，将生物质（如生姜）直接与浓硫酸在室温下混合搅拌，经过脱水-缩合（Dehydration-Condensation， D-C）反应，即可得到一种黑色粉末。通过球差校正透射电子显微镜（AC-TEM）和选区电子衍射（SAED）表征，确认该产物具有清晰可见的石墨烯晶格和标准的石墨烯衍射花样，层间距为3.35 Å，与石墨烯的（002）晶面间距一致。研究者将这种方法命名为D-C法，产物称为D-C rGO。该方法的关键步骤极其简单：将1克生物质原料（如麦秆、木材粉末）与100毫升浓硫酸在室温下混合，以400转/分钟的速度搅拌4小时。反应结束后，将混合物缓慢加入大量去离子水中淬灭，随后使用透析袋（截留分子量8000-14000 Da）进行透析至中性，最后将悬浮液冷冻干燥即可获得D-C rGO粉末。整个过程在常压、室温下进行，无需特殊设备保护。
2. 方法普适性探究与底物范围拓展 为了验证D-C法的普适性，研究者系统地测试了多种生物质原料，包括白杨木、麦秆、毛竹粉、茅草、生姜和亚麻。所有测试的生物质均成功转化为D-C rGO。拉曼光谱显示，所有产物的特征D峰（~1345 cm⁻¹）和G峰（~1590 cm⁻¹）与经典rGO一致，且通过拉曼Mapping计算出的缺陷程度指标（ID/IG比值）约为0.7，优于部分商业石墨烯样品。X射线光电子能谱（XPS）分析表明，与原始生物质相比，D-C rGO中C=C键的比例显著增加（高达82%），而C-O键比例下降，证实了碳骨架的芳构化和石墨化。原子力显微镜（AFM）测量显示产物主要为单层或少数几层结构，厚度在0.62-0.76 nm之间。高分辨率透射电镜（HRTEM）和AC-TEM图像进一步直观地证实了产物的石墨烯晶格结构。
3. 反应机理的分子水平解析 为了深入理解反应本质，研究从生物质的主要成分（纤维素、半纤维素、木质素）入手进行控制实验，发现纤维素是生成D-C rGO的关键活性组分。进一步地，研究聚焦于纤维素的基本单元——葡萄糖。他们提出并验证了一个“纯碳范式”（Pure Carbon Paradigm）：分子式符合Cx(H₂O)y的碳水化合物（如葡萄糖、纤维素、淀粉以及α-、β-、γ-环糊精）均能通过D-C法转化为D-C rGO；而那些分子式不符合此通式或含有其他杂原子（如氮）的葡萄糖衍生物（如甲基葡萄糖、海藻酸、壳聚糖、甲壳素）则仅溶解于浓硫酸中，不生成固体石墨烯产物。这一发现将经典的浓硫酸脱水葡萄糖反应（生成碳和水）与石墨烯的生成联系起来。研究者推测，反应机理是：浓硫酸首先水解纤维素生成葡萄糖，葡萄糖分子随后在浓硫酸作用下发生脱水缩合，形成的碳原子簇（核）通过sp²杂化碳原子的不断添加，最终生长为热力学最稳定的二维石墨烯结构。通过原位紫外-可见光谱监测，他们观察到反应液在数分钟内开始出现π-π*和n-π*特征吸收峰（分别位于258 nm和321 nm），表明共轭芳香结构的形成。傅里叶变换红外光谱（FTIR）和电子顺磁共振（EPR）谱也提供了官能团转化和碳自由基生成的证据，支持了逐步脱水芳构化的路径。
4. 与传统方法的全面对比及优势评估 研究从多个维度将D-C法与现有主流石墨烯制备方法进行了对比。（1）能耗：传统石墨化炉方法在高于2000°C和高真空下进行，仅石墨化阶段的能耗估算高达7.62×10⁶ kJ g⁻¹。而D-C法在室温下进行，通过生命周期评估估算的能耗仅为2.28×10² kJ g⁻¹，能耗降低了超过四个数量级，降幅达98.75%。（2）工艺与安全性：传统Hummers法制备氧化石墨烯需约15个步骤，使用硝酸、高锰酸钾等多种危险化学品，可能产生有毒气体和爆炸风险。D-C法为一步反应，仅使用浓硫酸一种试剂，反应后易于用廉价氧化钙中和，在现有规模下不涉及有毒气体排放，工艺更安全、环保。（3）成本与产率：商业石墨烯价格昂贵，而基于本方法，在现有规模下生产D-C rGO的成本估算约为每克10美元。从麦秆和木材中制备D-C rGO的质量产率在室温下分别为18%和16%，在95°C下可分别提升至25%和33%。（4）产物性能：D-C rGO的ID/IG比值低于部分商业石墨烯样品，表明其石墨化质量良好。将其压制成膜并与金电极焊接后，测得的电导率为42.36 S cm⁻¹，载流子浓度为1.05×10²⁰ cm⁻³，性能优于或接近某些商业石墨烯产品。
5. 石墨烯成核与生长过程的原位观测 得益于D-C法温和的反应条件，研究者首次能够在接近常温常压的条件下，实时观测石墨烯的成核与生长动力学，这是高温石墨化方法难以实现的。通过AFM，他们清晰地观察到了D-C rGO成核岛的形成，其直径在2-8微米之间，岛中心存在因快速生长产生内应力而形成的褶皱。延长反应时间后，成核岛尺寸增大并出现合并现象，AC-TEM图像中也能观察到合并后留下的晶界。更重要的是，AFM图像揭示了D-C rGO倾向于以“逐层生长”机制形成：底层面积最大，上层依次减小，各层平均长度的线性拟合优度（R²）高达0.999，表明生长高度有序。此外，研究还观察到了以底层为模板的“模板生长”模式和独特的“十字形带状生长”模式，后者类似于自组织的“电路”图案。统计发现，提高反应温度会增加形成大面积D-C rGO的概率。这些发现为理解石墨烯等二维材料的生长机制提供了全新的视角和实验平台。
6. 材料应用初步探索 研究还展示了D-C rGO的潜在应用。通过简单的过滤或冷冻干燥方法，可以制备出不同形状的柔性D-C rGO薄膜和具有分级多孔结构的轻质气凝胶。将D-C rGO作为填料均匀添加到环氧树脂中（0.5 wt%和1.0 wt%），复合材料的最大拉伸强度分别提高了23%和35%，显示出增强和增韧效果。
本研究的主要结论是，成功开发了一种在室温、常压下，仅使用浓硫酸一步将生物质和碳水化合物高效转化为高质量还原氧化石墨烯（D-C rGO）的绿色、可持续方法。该方法不依赖石墨矿物，反应条件极其温和，能耗极低（相比传统方法降低超过98%），且具有原料来源广泛、工艺简单、安全性高、成本较低等显著优势。
该研究的科学价值与应用价值体现在多个层面。科学价值：（1）提出了“纯碳范式”，从分子水平上统一并拓展了碳水化合物脱水生成碳材料的反应，将经典的葡萄糖脱水反应与前沿的石墨烯制备联系起来。（2）首次在接近常温常压的温和条件下，实现了对石墨烯成核、逐层生长、模板生长等微观过程的直接观测，为二维材料生长动力学研究提供了前所未有的平台。（3）揭示了生物质在室温下通过酸催化脱水-缩合直接石墨化的新路径，挑战了传统上认为生物质石墨化必须依赖高温（>2000°C）的认知。应用价值：（1）为石墨烯及相关二维材料的大规模、低成本、绿色可持续生产开辟了一条全新的技术路线，有望减少对不可再生石墨矿产的依赖和高能耗工艺的使用。（2）将农业和林业生产中的生物质废弃物转化为高附加值石墨烯材料，实现了“变废为宝”，符合循环经济理念，具有显著的环境和经济效益。（3）所制备的D-C rGO具有良好的导电性和力学增强性能，可直接用于制备柔性薄膜、气凝胶和复合材料，在电子、传感、能源存储和环境修复等领域具有广阔的应用前景。
本研究的亮点在于：重要发现：实现了在室温、常压下一步将生物质转化为高质量石墨烯材料的突破，并系统阐明了其基于碳水化合物“纯碳范式”的反应机理。方法新颖性：开发的D-C法在反应条件（室温、常压、一步）、能耗（极低）和原料（可再生生物质）方面均具有革命性创新，与现有所有方法有本质区别。研究对象的特殊性：首次系统地将种类繁多的生物质和纯碳水化合物作为直接前驱体用于石墨烯合成，并成功观测到其温和条件下的生长动力学过程。综合性能优势：该方法在可持续性、安全性、成本和生产简便性方面具有传统方法无法比拟的综合优势，为石墨烯产业的绿色转型提供了切实可行的解决方案。
这项研究不仅报道了一种具有颠覆性的石墨烯制备技术，更在基础科学层面深化了对碳水化合物转化和石墨烯生长机理的理解，是材料科学与可持续化学交叉领域的一项重大进展，为实现“双碳”目标下的材料绿色制造提供了极具启发性的新思路。