Вчені винайшли спосіб перетворювати сміття на дорогоцінний графен

Новий процес, введений лабораторією Університету Райса хіміка Джеймса Тура, може перетворити об'ємні кількості практично будь-якого джерела вуглецю в цінні графенові пластівці. Цей процес швидкий і дешевий; Тур сказав, що технологія "флеш-графена" може перетворити тонну вугілля, харчових відходів або пластику в графен за частку вартості, використовуваної іншими методами виробництва об'ємного графену.

“Це дуже важливо", - сказав Тур. "Світ викидає від 30% до 40% всіх харчових продуктів, тому що вони псуються, а пластикові відходи викликають заклопотаність у всьому світі. Ми вже довели, що будь-яка тверда речовина на основі вуглецю, включаючи змішані пластикові відходи та гумові шини, може бути перетворена в графен.”

Як повідомляється в Nature, спалах графену виробляється за 10 мілісекунд шляхом нагрівання вуглецевих матеріалів до 3000 кельвінів (близько 5000 градусів за Фаренгейтом). Вихідний матеріал може бути практично будь-яким з вмістом вуглецю. Харчові відходи, пластикові відходи, нафтовий кокс, вугілля, деревна стружка і біочар є основними кандидатами, сказав Тур. “За нинішньою комерційною ціною графену від $ 67 000 до $ 200 000 за тонну перспективи цього процесу виглядають чудово", - сказав він.

Тур сказав, що концентрація всього лише 0,1% графену спалаху в цементі, використовуваному для зв'язування бетону, може зменшити його масовий вплив на навколишнє середовище на третину. Виробництво цементу, як повідомляється, щорічно викидає до 8% виробленого людиною вуглекислого газу.

"Зміцнюючи бетон графеном, ми могли б використовувати менше бетону для будівництва, і це коштувало б менше виробляти і менше транспортувати", - сказав він. "По суті, ми ловимо парникові гази, такі як вуглекислий газ і метан, які відходи харчової промисловості викидали б на звалища. Ми перетворюємо ці вугілля в графен і додаємо цей графен в бетон, тим самим зменшуючи кількість вуглекислого газу, що утворюється при виробництві бетону. Це безпрограшний екологічний сценарій з використанням графену.”

"Перетворення сміття в скарби є ключем до циркулярної економіки", - сказав співавтор Роузбех Шахсаварі, доцент кафедри цивільного та екологічного машинобудування, матеріалознавства та наноінженерії в Rice та президент C-Crete Technologies. "Тут графен діє як двовимірний шаблон, так і армуючий агент, який контролює гідратацію цементу і подальший розвиток міцності.”

У минулому Тур сказав: "графен був занадто дорогий, Щоб використовувати його в цих додатках. Флеш-процес значно знизить ціну, в той час як він допомагає нам краще керувати відходами.”

“За допомогою нашого методу цей вуглець стає нерухомим", - сказав він. - Він більше не підніметься в повітря.”

Цей процес чудово узгоджується з нещодавно оголошеною Райс ініціативою вуглецевого хаба по створенню майбутнього з нульовими викидами, яке використовує вуглеводні з нафти і газу для виробництва водню і твердого вуглецю з нульовими викидами вуглекислого газу. Процес спалаху графена може перетворити цей твердий вуглець у графен для бетону, асфальту, будівель, автомобілів, одягу та багато іншого, сказав Тур.

Флеш-джоулеве нагрівання для об'ємного графену, розроблене в лабораторії Туру аспірантом Райсом і провідним автором дуй Луонг, покращує такі методи, як відшарування графіту і осадження хімічною парою на металевій фользі, які вимагають набагато більше зусиль і витрат, щоб зробити всього лише трохи графена.

Ще краще, що процес виробляє "турбостратичний" графен, з несоосними шарами, які легко відокремити. "A-B складений графен з інших процесів, таких як відшарування графіту, дуже важко відокремити один від одного", - сказав Тур. - Шари міцно зчіплюються один з одним. Але з турбостратичним графеном працювати набагато простіше, оскільки адгезія між шарами значно нижче. Вони просто розпадаються в розчині або при змішуванні в композитах.

"Це важливо, тому що тепер ми можемо змусити кожен з цих одноатомних шарів взаємодіяти з композитом господаря", - сказав він.

У лабораторії відзначили, що використана кавова гуща трансформувалася в первозданні одношарові листи графена.

Об'ємні композити графена з пластиком, металами, фанерою, бетоном та іншими будівельними матеріалами будуть основним ринком для флеш-графена, на думку дослідників, які вже тестують посилений графеном бетон і пластик.

Процес спалаху відбувається в спеціально розробленому реакторі, який швидко нагріває матеріал і виділяє всі невуглеводневі елементи у вигляді газу. "Коли цей процес індустріалізується, такі елементи, як кисень і азот, які виходять з реактора спалаху, можуть бути захоплені у вигляді невеликих молекул, тому що вони мають цінність", - сказав Тур.

Він сказав, що процес спалаху виробляє дуже мало надлишкового тепла, направляючи майже всю свою енергію в ціль. “Ви можете покласти палець прямо на контейнер через кілька секунд після цього", сказав Тур. "І майте на увазі, що це майже в три рази гаряче, ніж печі хімічного осадження з парової фази, які ми раніше використовували для виробництва графена, але в процесі спалаху тепло концентрується в вуглецевому матеріалі, а не в навколишньому реакторі.

"Вся надлишкова енергія виходить у вигляді світла, в дуже яскравому спалаху, і оскільки немає ніяких розчинників, це супер чистий процес", - сказав він.

Луонг не очікував знайти графен, коли запустив перший невеликий пристрій для пошуку нових фаз матеріалу, починаючи зі зразка сажі. "Це почалося, коли я подивився на наукову статтю, в якій йшлося про джоулеве нагрівання для отримання фазово-мінливих наночастинок металів", - сказав він. Але Луонг швидко зрозумів, що процес не виробляє нічого, крім високоякісного графена.

Хімік Університету Райса Джеймс Тур, ліворуч, і аспірант Дуй Луонг показують зразок чистого турбостратичного графена

Моделювання на атомному рівні дослідником Райсом і співавтором Ксенією Бетс підтвердило, що температура є ключем до швидкого утворення матеріалу. "Ми істотно прискорюємо повільний геологічний процес, за допомогою якого вуглець еволюціонує у свій основний стан, графіт", - сказала вона. "Сильно прискорений тепловим сплеском, він також зупиняється в потрібний момент, на стадії графена.

"Дивно, як сучасне комп'ютерне моделювання, відоме своєю повільністю для спостереження такої кінетики, розкриває деталі високотемпературних модульованих атомних рухів і перетворень", - сказав Бетс.

Тур сподівається виробляти кілограм (2,2 фунта) графену на день протягом двох років, починаючи з проєкту, нещодавно фінансованого Міністерством енергетики для перетворення вугілля, що видобувається в США. "Це могло б забезпечити вихід для вугілля у великих масштабах, перетворивши його недорого в набагато більш цінний будівельний матеріал", - сказав він.

У Туру є грант від Міністерства енергетики для розширення процесу отримання графену flash, який буде спільно фінансуватися стартап-компанією Universal Matter Ltd.

Джерела: Університет Райса, Nature