2022年，将社会废物转化为有价值产品的专家AngeNzihou访问普林斯顿时，他带来了一种将废弃生物质转化为石墨烯的技术，石墨烯是一种具有从电池到太阳能电池等多种用途的材料。他知道他使用无毒铁催化剂的方法比依赖危险化学品、贵金属或化石燃料的现有方法具有优势。

只有一个问题：Nzihou并不确切知道这一过程是如何进行的。

“作为一名化学工程师，我经常对材料的最终特性以及如何将它们应用到现实世界感兴趣，”法国IMTMinesAlbi-CNRS杰出化学工程教授Nzihou说道。通过富布赖特访问学者计划访问了普林斯顿大学。“但如果你想优化你生产的材料的性能，你必须了解在纳米和原子尺度上会发生什么来实现转变。”

这就是安德林格能源与环境中心土木与环境工程副教授克莱尔·怀特(ClaireWhite)前来提供帮助的地方。

作为Nzihou的教师主持人，White贡献了她在材料纳米和原子尺度表征方面的专业知识，以揭示铁能够帮助将废弃生物质转化为石墨烯的机制。

结果不仅是两篇论文，第一篇发表在《ChemSusChem》上，另一篇发表在《AppliedNanoMaterials》上，详细介绍了使用铁作为催化剂将废生物质(例如木片和其他富含纤维素的生物质)转化为废生物质的机制和前景。高附加值碳材料。这也是两个小组之间持续合作的启动平台，结合了每个小组的专业知识，为他们的研究项目增添了新的维度。

纳米级比例的发现

石墨烯是一种只有一个原子厚的纯碳片，通常通过化学气相沉积制成，这是半导体工业中经常使用的一种生产均匀涂层的工艺。然而，Nzihou表示，化学气相沉积通常取决于危险化学品和昂贵的技术。同样，他说石墨烯生产的替代品通常采用有毒或成本过高的材料，以及使用石油来源。

为了寻找一种环保的石墨烯生产方式，Nzihou和White将未充分利用的生物质来源作为该工艺的起始材料。不幸的是，大部分生物质富含纤维素，这是一种在植物细胞壁中发现的丰富聚合物。事实证明，由于其化学键的结构和排列，在不使用有毒或稀土金属催化剂的情况下，纤维素很难转化为高度有序的碳材料，例如石墨烯。

但Nzihou发现氧化铁催化剂可以做到这一点。通过将铁插入生物质中，并通过称为碳化的过程在限氧环境中加热，Nzihou证明可以将富含纤维素的生物质转化为具有大范围有序石墨烯片区域的最终材料。

“安格已经证明可以使用铁作为催化剂，”怀特说。“但真正的问题是试图了解铁如何提供这种催化行为。”

怀特求助于她在原子和纳米尺度表征方面的专业知识来寻找答案。研究人员利用X射线全散射、拉曼光谱、透射电子显微镜和磁测量等技术发现，在加热过程中，氧化铁催化剂首先分解，在生物质内形成纳米颗粒。当富含纤维素的生物质在较高温度下开始溶解时，它以石墨烯片层的形式沉淀到铁颗粒的表面上。

怀特说：“我们实际上能够观察到在此过程中铁纳米颗粒周围形成的有序碳原子壳。”

有趣的是，Nzihou和White发现，一些较大的铁纳米颗粒比许多较小的铁纳米颗粒支持更广泛的石墨烯形成区域，这是一个有用的线索，可以为未来扩大将废弃生物质转化为石墨烯的过程提供信息。研究人员还在继续改进工艺，以增加纯石墨烯区域的尺寸，同时减少最终材料中的缺陷数量。

“现在我们已经了解了其中的机制，与传统的化学气相沉积方法相比，我们可以弄清楚如何改进工艺并优化石墨烯片的性能，甚至可以考虑在不久的将来扩大规模的方法，”恩子侯说道。“因为归根结底，我们的工作就是开发环保的先进碳材料，同时闭合碳循环并减少二氧化碳排放。”

富有成效的合作的启动平台

研究人员表示，该项目使他们能够利用彼此的专业知识来推进可持续碳利用领域的发展，最初的合作伙伴关系已融入多个正在进行的研究项目。

“这是一次令人兴奋的合作，”怀特说。“我从未见过自己从事这些可持续碳材料的研究，但与Ange合作的这些项目为我扩展工作并为我的研究增添新维度提供了绝佳的机会。”

对于Nzihou来说，他作为富布赖特访问学者的经历只是对未来的预演。他将于2024年3月作为GerhardR.Andlinger客座研究员返回Andlinger中心，继续探索将未充分利用的生物质来源转化为具有特定性能的先进碳材料的方法，适用于农业、能源储存和CO2封存等应用。

他计划与怀特一起，联合克雷格·阿诺德、米歇尔·萨拉森和罗德尼·普里斯特利等普林斯顿大学其他教员的专业知识，制定可持续碳利用战略，从而扩大他的工作范围。他还计划与普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)合作，探索使用等离子体为各种生产过程提供动力。

第一篇论文“SynthesisandGrowthofGreenGraphenefromBiocharRevealedbyMagneticPropertiesofIronCatalyst”于2022年11月发表在ChemSusChem上。第二篇论文“铁纳米颗粒催化纤维素石墨化用于储能应用”于2023年2月发表在《应用纳米材料》上。