近日，清华大学深圳国际研究生院苏阳助理教授和合作者，发现了用石墨烯可以高效地、精准地吸附水中的金资源。利用这一现象，他们展示了用石墨烯从电子垃圾中回收金资源。
（来源：Nature Communications）
(资料图)
这个工作的研究背景用一句话来总结就是，全球的金资源可持续发展和电子垃圾污染问题。从金资源的可持续发展来看，在全球可持续发展的挑战下，资源的可持续性发展无疑非常重要。
而金作为一种关键的资源，不光是在首饰上使用，在电子设备中的应用更广泛。这主要是因为金具有非常高的电导率和化学稳定性，我们的电子设备比如手机、电脑的很多部件，都需要一层金镀层来保证良好的电接触以及稳定的信号传输。
如果仔细思考这样的金资源供求关系的话，就会发现存在一个非常明显的不平衡。简单来讲，金是一种不可再生资源，它在地壳的储量是有限的。但从我们常用电子设备的使用周期来看，比如手机一般 1-3 年就更新换代了，如果这些废弃手机里的金资源不能有效回收的话（实际上，目前全球对电子垃圾的回收率都低于 20%），那么这部分金资源就浪费了。
当然一部手机上并没有多少金，但如果把这种情况放大到全球范围，我们浪费的金资源的量就非常可观了。这意味着，人类使用了大量的金资源，却并没有把它有效地回收，如果持续这样进行下去的话，未来的某一天，就没有足够的金资源供人类使用。
（来源：Nature Communications）
而对电子垃圾污染来说，因为电子垃圾中包含的材料种类繁多，就金属材料来看，它就包含了铜、镍、金、铅、锡、铝、铬等。电子垃圾的回收意味着要把不同材料的材料从电子垃圾中分离、纯化出来，这些材料才能重新被使用。
目前，全球电子垃圾的回收率低于 20%。金是电子垃圾中经济价值最高的元素，因此高效、高选择性地从电子垃圾中提取金资源，将可能推动电子垃圾的回收率，为解决电子垃圾污染提供新的方案。
回到研究工作本身，石墨烯与金离子的交互作用其实在 2010 年就有报道，但这主要是应用于金离子对石墨烯进行掺杂，调控其电子结构。
而该团队从材料结构出发，采用了石墨烯的衍生物（还原氧化石墨烯）来研究其对金离子的吸附，探索其从废弃含金资源中提取金，这对于石墨烯领域是一个新的发现。而从金离子的提取吸附材料来看，此前很多纳米多孔材料都报道过类似的用途。
此次工作发现石墨烯对金的吸附能力比现有材料高近一个数量级，且在 14 种共存元素的条件下，能够对金实现精准吸附，这也是过去的研究没有或很难达到的。
近日，相关论文以《还原氧化石墨烯高效、选择性提取金》（Highly Efficient and Selective Extraction of Gold by Reduced Graphene Oxide）为题，发表在 Nature Communications 上[1]。
（来源：Nature Communications）
中科院深圳理工大学（筹）和深圳先进技术研究院教授成会明院士，诺贝尔物理学奖得主、曼彻斯特大学及清华大学深圳国际研究生院盖姆石墨烯中心教授安德烈·盖姆（Andre Geim）和清华大学深圳国际研究生院助理教授苏阳为论文通讯作者，清华大学深圳国际研究生院 2020 级博士生李飞和博士后朱九一为共同第一作者。
▲图 | 苏阳（来源：苏阳）
总体来讲，审稿人对此次报道的现象和石墨烯的金吸附性能是认可的，但对阐述的机制有顾虑。当然这是可以理解的。所以该团队花了很多工夫，做了不少实验去把机制尽量讲清楚。
在研究的最开始，课题组先筛选了一批石墨烯材料，博士生李飞大约花了 1-2 个月就选定了用维生素 C 还原的氧化石墨烯。接着他们花了大约半年时间，验证实验现象、以及探讨实验现象后面的机制，并进一步做实验再验证。
这其中包括了一系列的金吸附实验，还有用真实的电子垃圾来做回收，并且开发了基于石墨烯膜的连续金吸附工艺。有了这些坚实的实验证据后，该团队和诺奖得主&英国曼彻斯特大学的安德烈·盖姆教授大约花了 1-2 个月的时间反复讨论了这个实验，他们做了更定量的剥离石墨烯对金的吸附实验，苏阳等人也进一步添加了更多的实验来把实验现象理解得更清楚。前后大约用了一年时间最后定稿。
（来源：Nature Communications）
苏阳说：“研究中，成会明老师和盖姆教授提出了很多我们之前没有想到的问题和假设，鼓励我们通过实验和理论去验证或排除这些假设，我们也通过这些实验将结果做得更完整。再者就是要做有用的研究。”
期间，这两位科学家提出要把苏阳的实验结果在真实场景下去验证，建议并鼓励他测试了不同的实际场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。结合其高效和精准的金提取性能，苏阳认为其实验结果或可用于高效、精准地从电子垃圾中提取金。另一个可能的潜在应用是，目前半导体和电子工业过程中，镀金的电镀液浓度降低到一定程度后，就不能再使用了。因此，他们目前正在研究，能否用石墨烯从这些低浓度的电镀废液中回收金。
当下，他们还在持续地做这个研究，从基础研究的角度来看，仍然有很多现象值得进一步探索。这里因为还没有清晰的结论，所以在这里不详细展开。从应用来看，其目前正在尝试放大实验。另外，基于石墨烯膜的连续吸附更可能直接应用于工业过程中，但还有很多实验现象需要深入探索，以及他们也在持续跟进大面积制备的技术难题。
参考资料：
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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