A „zöld” folyamat ígéretes tiszta grafént hoz létre élelmiszer-hulladékok, műanyagok és más anyagok felhasználásával.
Világszerte az összes élelmiszer mintegy 30-40%-át kidobják, mert megromlik, a műanyaghulladékok mennyisége pedig globálisan aggodalomra ad okot. A Rice Egyetem kísérletei során bebizonyították, hogy szinte bármilyen szénalapú szilárd anyag, beleértve a vegyes műanyag hulladékokat és a gumiabroncsokat is, 3000 Kelvinre hevítve, a „Flash Graphene” technikával 10 milliszekundum alatt ezzé az értékes anyaggá alakítható. „Mivel a grafén jelenlegi kereskedelmi ára 67 000 – 200 000 USD/tonna, ez a folyamat remek kilátással kecsegtet” – tette hozzá James Tour.
Az új folyamat bemutatása során James Tour, az USA-beli Houstonban található Rice Egyetem laboratóriumának vegyésze elmondta, szinte bármilyen szénalapú szilárd anyag értékes grafénpelyhekké alakítható a „Flash Graphene” technika segítségével, így az élelmiszer- vagy műanyaghulladékok többsége is grafénné konvertálható, azon költségek töredékéért, amelyet más grafén-előállítási módszerek igényelnek.
A környezet védelmében
Az egyetem laboratóriumaiban kutatásokat végeztek az így előállított grafén különböző anyagszerkezetekben történő alkalmazásával, így például az építőanyagoknál. Az építkezéseknél használt cement gyártása évente az emberi eredetű szén-dioxid 8%-át bocsátja ki. Tour szerint a beton megkötésére használt cementben egy kevés grafén (0,1%) hozzáadása egyharmadával csökkentheti a környezeti hatásokat. „Módszerünkkel ez a szén fixálódik és nem kerül újra a levegőbe” – tette hozzá.
(Fotó: Jeff Fitlow/Rice University)
„Ha a betont grafénnel erősítjük, kevesebb betont használhatunk az építéshez, kisebb a gyártás és a szállítás költsége, valamint környezeti lábnyoma is” – mondta. „Alapvetően olyan üvegházhatású gázokat ejtünk csapdába, mint a szén-dioxid és a metán, amelyek az élelmiszer-pazarlás miatt kibocsátásra kerültek volna a hulladéklerakókban. Ezeket a szénatomokat grafénné alakítjuk, majd ezt hozzáadva a betonhoz csökkenthetjük a beton előállítása során keletkező szén-dioxid mennyiségét”. A grafén felhasználásával nyertes a környezetvédelmi forgatókönyv.
„A szemét hasznos alapanyaggá alakítása a körforgásos gazdaság kulcsa” – mondta Rouzbeh Shahsavari, a Rice Egyetem környezetvédelmi mérnöki, valamint anyagtudományi és nanotechnológia tanszékének adjunktusa, valamint a C-Crete Technologies elnöke. „Itt a grafén mind 2D-sablonként, mind megerősítőszerként működik, amely ellenőrzi a cement hidratálódását és az azt követő szilárdság-alakulást.” A múltban, ahogy James Tour megjegyezte: „A grafén túl drága volt ahhoz, hogy ezekre az alkalmazásokra felhasználhassák. A Flash-eljárás jelentősen csökkenti az árat, miközben elősegíti a hulladékgazdálkodás hatékonyságát”.
A folyamat szépen illeszkedik a Rice Egyetem nemrég bejelentett „Carbon Hub” kezdeményezéséhez, amelynek célja egy nulla kibocsátású jövő létrehozása, amely újrahasznosítja a szénhidrogéneket hidrogén és szilárd szén előállításához, nulla széndioxid-kibocsátással. A Flash Graphene folyamat képes ezt a szilárd szenet betonhoz, aszfalthoz, épületekhez, autókhoz, ruházathoz és egyéb anyagokhoz grafénné alakítani.
A Rice Egyetem végzős hallgatója és a tanulmány vezető szerzője, Duy Luong által kifejlesztett Flash Joule melegítés a tömeges grafén-előállítás számára továbbfejleszti azokat a technikákat, mint például a grafit hámlasztása és a fémfóliára történő kémiai gőzlerakódás, amelyek sokkal több erőfeszítést és költségeket igényelnek egy kis mennyiségű grafén előállításához. A Rice University tudósai által kifejlesztett módszerrel a korom grafénné alakul.
Mi az a Grafén?
A grafén a szén egy nanoszerkezetű allotróp módosulata, egy egyetlen atom vastagságú grafitréteg, melyet méhsejtrácsos elrendezésben álló szénatomok alkotnak. A grafit egyatomos rétegeivel kapcsolatban már a 20. század közepén is volt elképzelés, és 1962-ben önállóan is észlelték a grafénlemezeket elektronmikroszkópos vizsgálatok során. Előállításukra 2004-ben frappáns eljárást javasoltak Andre Geim és Konsztantyin Szergejevics Novoszjolov, a Manchesteri Egyetem fizikusai, és eredményükért 2010-ben fizikai Nobel-díjat kaptak. A két fizikus speciális ragasztószalag segítségével addig szedett le rétegeket egy grafittömbről, amíg sikerült belőle egyetlen atomnyi réteget elválasztani. A grafén előállítása történhet grafit mikromechanikai hántolásával, például csiszolt szilíciumfelülethez való dörzsöléssel vagy ragasztószalaggal való letépéssel (a letépett grafitrétegre újból ragasztószalagot téve, majd azt lerántva egyre vékonyabb, végül egy atom vastagságú réteg nyerhető, ezt az eljárást használták eredetileg a később Nobel-díjjal kitüntetett kutatók is). További módszer lehet a grafit kémiai hántolása, az epitaxiális növesztés (megfelelő hordozóban magas hőmérsékleten szénatomokat abszorbeálnak, majd hűtés hatására a szén a felületre diffundálva grafénréteget képez), etil-alkohol nátriumos redukciója, majd a kapott köztitermék pirolízise; a kémiai gőzfázisú leválasztás, valamint a szénnanocsövek hosszanti felhasítása.
A grafén izolált előállítására alkalmas módszer 2004-es kidolgozása előtt nem volt ismert más kétdimenziós, kristályos anyag. Extrém tulajdonságai miatt, nanoszerkezetű alapanyagként az elektronikától az orvostudományig nagyon sok területen ígér áttörésjellegű előrelépést. Kutatók például évek óta dolgoznak azon, hogy leváltsák a lítiumion-akkumulátorokat. Az egyik kihívó a grafén, amivel egy okostelefon töltése másodpercekbe, egy elektromos autóé pedig csupán percekbe telne. A XXI. század csodaanyagának tartott grafén kutatására az Európai Unió egymilliárd eurós támogatást nyújtott, ami jól mutatja, mennyire komoly lehetőséget látnak benne.
Forrás: Wikipédia
A skálázható eljárás megkönnyíti a szinte bármilyen forrásból származó szén gyors átalakítását grafénné. Viccesen megjegyezték, hogy a kávézacc például tiszta, egyrétegű grafénné alakul. Még jobb, ha a folyamat „turbostratikus” grafént állít elő, rosszul rendezett rétegekkel, amelyeket könnyű elválasztani. „Az A-B halmozott grafént más folyamatokból, mint például a grafit hámlasztása, nagyon nehéz elválasztani” – mondta Tour. „A rétegek szorosan tapadnak egymáshoz. A turbosztratikus grafén sokkal könnyebben használható, oldatokban vagy kompozitokhoz adagolva, mivel a rétegek közötti tapadás sokkal alacsonyabb. Az így előállított grafénnel kevert betont és műanyagokat tesztelve a kutatók szerint a grafén kompozitjai műanyagokkal, fémekkel, rétegelt lemezekkel, betonnal és egyéb építőanyagokkal lennének a flash-grafén jelentős piacai.
A Flash-folyamat egy egyedi tervezésű reaktorban zajlik, amely gyorsan felmelegíti az anyagot, és gázként kibocsát minden nem széntartalmú elemet. „Amikor ezt a folyamatot ipari célokra használják, az olyan elemek, mint az oxigén és a nitrogén, amelyek kilépnek a reaktorból, kis csapdákba eshetnek, mert értékük van” – mondta Tour.
Elmondta, hogy a Flash Graphene folyamat nagyon kevés felesleges hőt termel, az energia szinte teljes mennyiségét a célba irányítja. Néhány másodperccel később közvetlenül ráteheti az ujját a reaktorra. „És ne felejtsük el, hogy ez majdnem háromszor forróbb, mint a kémiai gőzlerakódási folyamat során alkalmazott kemencéknél, amelyeket korábban a grafén előállításához használtunk, de a Flash-eljárás során a hő a szén anyagába koncentrálódik, nem a környező reaktorba. Az összes felesleges energia fényként, egy nagyon fényes villanással távozik, és mivel nincs oldószer, ez egy rendkívül tiszta folyamat” – mondta.
Luong nem számított rá, hogy grafént fog találni, amikor az első laboratóriumi készüléket tesztelte, hogy új anyagfázisokat keressen, kezdve egy korommintával. „Akkor kezdődött, amikor átolvastam egy tudományos értekezést, amely a Flash Joule melegítéséről szólt, hogy fázisukat megváltoztató fém nanorészecskéket készítsek” – mondta. De Luong rájött, hogy a folyamat alkalmazható kiváló minőségű grafén előállításához.
A Rice Egyetem kutatója és a cikk társszerzője, Ksenia Bets által végzett atomi szintű szimulációk megerősítették, hogy a hőmérséklet kulcs az anyag gyors kialakulásához. „Alapvetően felgyorsítjuk a lassú geológiai folyamatot, amellyel a szén alapanyagunkká, grafittá alakul” – mondta. „A hőcsúcsot nagymértékben felgyorsítjuk, és a megfelelő pillanatban, a grafén szakaszában megállítjuk. Csodálatos, hogy a legmodernebb számítógépes szimulációk feltárják a magas hőmérsékleten modulált atommozgások és az átalakulás részleteit” – tette hozzá Bets.
James Tour azt reméli, két éven belül naponta egy kilogrammnyi grafént fog előállítani a Flash Graphene technológiával, az Energiaügyi Minisztérium által finanszírozott, az USA-ból származó szén átalakítására irányuló, a közelmúltban kezdeményezett projekttel.
Balról: Christina Crassas egyetemi hallgató, James Tour vegyész, valamint Weiyin Chen és Duy Luong végzős hallgatók. (Fotó: Jeff Fitlow / Rice University)
Forrás: Rice University
