近日，清華大學深圳國際研究生院蘇陽助理教授和合作者，發現了用石墨烯可以高效地、精準地吸附水中的金資源。利用這一現象，他們展示了用石墨烯從電子垃圾中回收金資源。
（來源：Nature Communications）
這個工作的研究背景用一句話來總結就是，全球的金資源可持續發展和電子垃圾污染問題。從金資源的可持續發展來看，在全球可持續發展的挑戰下，資源的可持續性發展無疑非常重要。
而金作為一種關鍵的資源，不光是在首飾上使用，在電子設備中的應用更廣泛。這主要是因為金具有非常高的電導率和化學穩定性，我們的電子設備比如手機、電腦的很多部件，都需要一層金鍍層來保證良好的電接觸以及穩定的信號傳輸。
如果仔細思考這樣的金資源供求關係的話，就會發現存在一個非常明顯的不平衡。簡單來講，金是一種不可再生資源，它在地殼的儲量是有限的。但從我們常用電子設備的使用周期來看，比如手機一般 1-3 年就更新換代了，如果這些廢棄手機里的金資源不能有效回收的話（實際上，目前全球對電子垃圾的回收率都低於 20%），那麼這部分金資源就浪費了。
當然一部手機上並沒有多少金，但如果把這種情況放大到全球範圍，我們浪費的金資源的量就非常可觀了。這意味著，人類使用了大量的金資源，卻並沒有把它有效地回收，如果持續這樣進行下去的話，未來的某一天，就沒有足夠的金資源供人類使用。
（來源：Nature Communications）
而對電子垃圾污染來說，因為電子垃圾中包含的材料種類繁多，就金屬材料來看，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，這些材料才能重新被使用。
目前，全球電子垃圾的回收率低於 20%。金是電子垃圾中經濟價值最高的元素，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在 2010 年就有報道，但這主要是應用於金離子對石墨烯進行摻雜，調控其電子結構。
而該團隊從材料結構出發，採用了石墨烯的衍生物（還原氧化石墨烯）來研究其對金離子的吸附，探索其從廢棄含金資源中提取金，這對於石墨烯領域是一個新的發現。而從金離子的提取吸附材料來看，此前很多納米多孔材料都報道過類似的用途。
此次工作發現石墨烯對金的吸附能力比現有材料高近一個數量級，且在 14 種共存元素的條件下，能夠對金實現精準吸附，這也是過去的研究沒有或很難達到的。
近日，相關論文以《還原氧化石墨烯高效、選擇性提取金》（Highly Efficient and Selective Extraction of Gold by Reduced Graphene Oxide）為題，發表在 Nature Communications 上[1]。
（來源：Nature Communications）
中科院深圳理工大學（籌）和深圳先進技術研究院教授成會明院士，諾貝爾物理學獎得主、曼徹斯特大學及清華大學深圳國際研究生院蓋姆石墨烯中心教授安德烈·蓋姆（Andre Geim）和清華大學深圳國際研究生院助理教授蘇陽為論文通訊作者，清華大學深圳國際研究生院 2020 級博士生李飛和博士後朱九一為共同第一作者。
▲圖 | 蘇陽（來源：蘇陽）
總體來講，審稿人對此次報道的現象和石墨烯的金吸附性能是認可的，但對闡述的機制有顧慮。當然這是可以理解的。所以該團隊花了很多工夫，做了不少實驗去把機制盡量講清楚。
在研究的最開始，課題組先篩選了一批石墨烯材料，博士生李飛大約花了 1-2 個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間，驗證實驗現象、以及探討實驗現象後面的機制，並進一步做實驗再驗證。
這其中包括了一系列的金吸附實驗，還有用真實的電子垃圾來做回收，並且開發了基於石墨烯膜的連續金吸附工藝。有了這些堅實的實驗證據後，該團隊和諾獎得主&英國曼徹斯特大學的安德烈·蓋姆教授大約花了 1-2 個月的時間反覆討論了這個實驗，他們做了更定量的剝離石墨烯對金的吸附實驗，蘇陽等人也進一步添加了更多的實驗來把實驗現象理解得更清楚。前後大約用了一年時間最後定稿。
（來源：Nature Communications）
蘇陽說：「研究中，成會明老師和蓋姆教授提出了很多我們之前沒有想到的問題和假設，鼓勵我們通過實驗和理論去驗證或排除這些假設，我們也通過這些實驗將結果做得更完整。再者就是要做有用的研究。」
期間，這兩位科學家提出要把蘇陽的實驗結果在真實場景下去驗證，建議並鼓勵他測試了不同的實際場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。結合其高效和精準的金提取性能，蘇陽認為其實驗結果或可用於高效、精準地從電子垃圾中提取金。另一個可能的潛在應用是，目前半導體和電子工業過程中，鍍金的電鍍液濃度降低到一定程度後，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。
當下，他們還在持續地做這個研究，從基礎研究的角度來看，仍然有很多現象值得進一步探索。這裡因為還沒有清晰的結論，所以在這裡不詳細展開。從應用來看，其目前正在嘗試放大實驗。另外，基於石墨烯膜的連續吸附更可能直接應用於工業過程中，但還有很多實驗現象需要深入探索，以及他們也在持續跟進大面積製備的技術難題。
參考資料：
1.Li, F., Zhu, J., Sun, P. et al. Highly efficient and selective extraction of gold by reduced graphene oxide. Nat Commun 13, 4472 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-32204-4
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