Новый процесс, внедренный лабораторией химика Джеймса Тура при Университете Райса, может превратить большие количества практически любого источника углерода в ценные графеновые хлопья. Процесс быстрый и дешевый; Тур сказал, что метод «флэш-графена» может преобразовать тонну угля, пищевых отходов или пластика в графен за небольшую часть стоимости, используемой другими методами массового производства графена.
"Это большое дело", – сказал Тур. «Мир выбрасывает от 30% до 40% всей еды, потому что она портится, а пластиковые отходы вызывают озабоченность во всем мире. Мы уже доказали, что любое твердое вещество на основе углерода, включая смешанные пластиковые отходы и резиновые шины, можно превратить в графен."
Как сообщает Nature, флэш-графен создается за 10 миллисекунд путем нагревания углеродсодержащих материалов до 3000 К (около 5000 градусов по Фаренгейту). Исходный материал может быть практически любым с содержанием углерода.
Пищевые отходы, пластиковые отходы, нефтяной кокс, уголь, обрезки древесины и биоуголь – главные кандидаты, сказал Тур. «При нынешней коммерческой цене графена от 67 000 до 200 000 долларов за тонну, перспективы этого процесса выглядят превосходными», – сказал он.
Тур сказал, что концентрация всего 0.1% флэш-графена в цементе, используемом для связывания бетона, может уменьшить его огромное воздействие на окружающую среду на треть. По имеющимся данным, при производстве цемента ежегодно выделяется до 8% антропогенного углекислого газа.
«Укрепляя бетон графеном, мы могли бы использовать меньше бетона для строительства, и это было бы дешевле в производстве и меньше для транспортировки», – сказал он. "По сути, мы улавливаем парниковые газы, такие как углекислый газ и метан, которые пищевые отходы выбрасывали бы на свалки.
Мы превращаем эти атомы углерода в графен и добавляем этот графен в бетон, тем самым снижая количество углекислого газа, образующегося при производстве бетона. Это беспроигрышный экологический сценарий с использованием графена."
«Превращение мусора в сокровища – это ключ к экономике замкнутого цикла», – сказал соавтор-корреспондент Рузбех Шахсавари, адъюнкт-профессор гражданской и экологической инженерии, материаловедения и наноинженерии в Rice и президент C-Crete Technologies. «Здесь графен действует как двухмерный шаблон и армирующий агент, который контролирует гидратацию цемента и последующее развитие прочности."
В прошлом, по словам Тур, «графен был слишком дорогим для использования в этих приложениях. Флэш-процесс значительно снизит цену, но поможет нам лучше управлять отходами."
«Благодаря нашему методу углерод фиксируется», – сказал он. "Он больше не войдет в воздух."
Этот процесс хорошо согласуется с недавно объявленной инициативой Райс Carbon Hub по созданию будущего с нулевыми выбросами, которое перепрофилирует углеводороды из нефти и газа для производства газообразного водорода и твердого углерода с нулевым выбросом диоксида углерода. Процесс флэш-графена может преобразовать этот твердый углерод в графен для бетона, асфальта, зданий, автомобилей, одежды и многого другого, сказал Тур.
Вспышка Джоулева нагрева для объемного графена, разработанная в лаборатории Тура аспирантом Райс и ведущим автором Дуй Луонгом, улучшает такие методы, как отшелушивание от графита и химическое осаждение из паровой фазы на металлической фольге, которые требуют гораздо больше усилий и затрат для получения небольшого количества графена.
Более того, этот процесс дает "турбостратный" графен с несовмещенными слоями, которые легко разделить. «Сложенный графен A-B от других процессов, таких как расслоение графита, очень трудно отделить», – сказал Тур. "Слои плотно прилегают друг к другу.
Но с турбостратным графеном работать намного проще, потому что адгезия между слоями намного ниже. Они просто распадаются в растворе или при смешивании с композитами.
«Это важно, потому что теперь мы можем заставить каждый из этих одноатомных слоев взаимодействовать с основным композитом», – сказал он.
В лаборатории отметили, что использованная кофейная гуща превратилась в первозданные однослойные листы графена.
Объемные композиты из графена с пластиком, металлами, фанерой, бетоном и другими строительными материалами будут основным рынком для флэш-графена, по словам исследователей, которые уже тестируют усиленный графеном бетон и пластик.
Процесс мгновенного испарения происходит в специально разработанном реакторе, который быстро нагревает материал и выделяет все неуглеродные элементы в виде газа. «Когда этот процесс становится промышленным, такие элементы, как кислород и азот, которые выходят из мгновенного реактора, могут быть захвачены в виде небольших молекул, потому что они имеют ценность», – сказал Тур.
Он сказал, что процесс вспышки производит очень мало избыточного тепла, направляя почти всю свою энергию на цель. "Вы можете положить палец прямо на контейнер через несколько секунд после этого", – сказал Тур. "И имейте в виду, что это почти в три раза горячее, чем печи химического осаждения из паровой фазы, которые мы раньше использовали для производства графена, но в процессе мгновенного испарения тепло концентрируется в углеродном материале, а не в окружающем реакторе.
«Вся избыточная энергия выделяется в виде света в очень яркой вспышке, и, поскольку нет никаких растворителей, это очень чистый процесс», – сказал он.
Луонг не ожидал найти графен, когда запустил первое маломасштабное устройство для поиска новых фаз материала, начиная с образца сажи. «Это началось, когда я взглянул на научную статью, в которой говорилось о мгновенном нагреве Джоулева для получения изменяющих фазу наночастиц металлов», – сказал он. Но Луонг быстро понял, что процесс не дает ничего, кроме высококачественного графена.
Моделирование на уровне атомов, выполненное исследователем и соавтором Райс Ксенией Бетс, подтвердило, что температура является ключом к быстрому образованию материала. «Мы существенно ускоряем медленный геологический процесс, посредством которого углерод превращается в свое основное состояние, графит», – сказала она. "Сильно ускоренный всплеском тепла, он также останавливается в нужный момент, на стадии графена.
«Удивительно, как современное компьютерное моделирование, заведомо медленное для наблюдения такой кинетики, выявляет детали высокотемпературных атомных движений и преобразований», – сказал Бетс.
Тур надеется произвести килограмм (2.2 фунта) флэш-графена в день в течение двух лет, начиная с проекта, недавно финансируемого Министерством энергетики, по преобразованию U.S.-добытый уголь. "Это могло бы обеспечить выход для угля в больших масштабах, недорого превратив его в гораздо более ценный строительный материал", – сказал он.