Naukowcy odkryli zaskakująco skuteczny sposób przekształcania wyrzuconych łupin orzechów ziemnych w wysokiej jakości grafen, materiał nazywany „cudowną substancją” ze względu na jego wyjątkową wytrzymałość, lekkość i przewodność elektryczną. Ten przełom może znacząco obniżyć koszty i wpływ produkcji grafenu na środowisko, potencjalnie przyspieszając jego zastosowanie w technologiach, od elektroniki użytkowej po magazynowanie energii.
Problem z grafenem
Grafen, jednowarstwowy arkusz atomów węgla ułożonych w strukturę plastra miodu, ma niezwykłe właściwości, dzięki którym idealnie nadaje się do zaawansowanych zastosowań. Jednak istniejące metody produkcji są drogie i energochłonne, co uniemożliwia ich powszechne przyjęcie. Znalezienie tańszych i bardziej zrównoważonych alternatyw ma kluczowe znaczenie dla uwolnienia pełnego potencjału grafenu.
Od odpadów do cudownego materiału
Zespół z Uniwersytetu Nowej Południowej Walii (UNSW) w Australii wykazał, że łupiny orzeszków ziemnych – ogromny rolniczy produkt uboczny wytwarzany w ilości ponad 10 milionów ton rocznie – zawierają duże ilości ligniny zawierającej węgiel, którą można przekształcić w materiały grafenopodobne. Kluczem jest szybki proces nagrzewania zwany błyskawicznym ogrzewaniem Joule’a (FJH). Technika ta wykorzystuje krótki, intensywny impuls elektryczny, aby osiągnąć temperaturę przekraczającą 3000°C w ciągu milisekund, przekształcając atomy węgla w struktury grafitowe.
Optymalizacja procesów
Naukowcy odkryli, że samo zastosowanie FJH nie wystarczy. Jakość końcowego grafenu w dużym stopniu zależała od wstępnej obróbki łupin orzechów ziemnych. Odkryli, że w wyniku stopniowego ogrzewania – najpierw w temperaturze 500°C w celu usunięcia zanieczyszczeń, a następnie w wyższej temperaturze – uzyskano węgiel węglowy idealny do konwersji. Zapewnia to minimalną liczbę defektów powstałego grafenu, maksymalizując jego właściwości przewodzące.
„W tej pracy pokazaliśmy, że zwykłe łupiny orzechów ziemnych można przekształcić w wysokiej jakości grafen przy użyciu znacznie mniejszej ilości energii niż obecnie wymagane, a zatem po niższych kosztach” – wyjaśnia inżynier mechanik UNSW Guan Yeo. „Nie musimy również używać żadnych środków chemicznych, co stanowi dodatkową korzyść dla środowiska”.
Skalowanie i przyszły potencjał
Chociaż w obecnym procesie powstaje wysokiej jakości grafen składający się z wielu warstw, komercjalizacja nadal zajmie od trzech do czterech lat. Zespół bada już, czy podobne metody można zastosować w przypadku innych odpadów organicznych, takich jak fusy z kawy lub skórki bananów. Konsekwencje są znaczące: Przekształcenie odpadów rolniczych w cenny zasób rozwiązuje problemy zrównoważenia środowiskowego i niedoborów materiałowych.
Badanie to podkreśla niewykorzystany potencjał biomasy jako źródła zaawansowanych materiałów. Jeśli się powiedzie, może zmienić gospodarkę odpadami, jednocześnie pobudzając innowacje w wielu różnych branżach.
