Fenntartható grafén-oxid előállítás új módszerrel Svédországban
A KTH Királyi Technológiai Intézet kutatói Svédországban egy zöld alternatívát fejlesztettek ki, amely csökkentheti a grafitbányászatra való támaszkodást, amely a következő csodamaterial, a grafén-oxid nyersanyaga. A csapat egy reprodukálható és skálázható módszert dolgozott ki a grafén-oxid (GO) nanosheetek előállítására kereskedelmi szénszálakból, ezzel áttörést elérve a fenntartható nanomateriálok szintézisében.
A folyamat a szénszálak nitrát savval való exfoliálásából áll, amely magas hozamú, egyatom vastagságú grafén-oxid lapokat eredményez, amelyek jellemzői összehasonlíthatók a bányászott grafitból származó kereskedelmi GO-val.
A jelenlegi graféntermelés problémái
A grafén-oxid egy széles körben tanulmányozott nanomateriál, amely autóakkumulátorokban használható, amikor vékony lapjai egymásra halmozódnak, hasonlóan a grafithoz. Ezen kívül hasznos a nagy teljesítményű kompozitokban, víztisztításban és elektronikai eszközökben. Azonban a bányászott grafitból való szintézis kemikáliák igénybevételével jár, és gyakran anyaginkonzisztenciát eredményez a grafit tisztaságának változása miatt.
Richard Olsson, a KTH polimerek anyagtudományi professzora elmondta, hogy a koncepció bizonyítását poliakrilnitril (PAN) alapú szénszálakkal hajtották végre, amely egy széles körben elérhető polimert jelent, amely magas hőmérsékletű oxidáción és grafitizáción megy keresztül. Hozzátette, hogy a módszer más nyersanyagokkal is megismételhető, például biomasszával vagy az erdőipar melléktermékeivel.
Felhasználás az elektromos járművek akkumulátoraiban
Olsson az elektromos járműakkumulátorok piacát emeli ki, mint amely profitálhat az új technológiából. „A grafit akkumulátor funkciójának magja a rétegezett grafénben található, amelyet kereskedelmi szénszálakból nyerhetünk ki ezzel a módszerrel” – magyarázta.
„Az autógyártás jövője az akkumulátoros energiaellátásra fog építeni, és a kérdés az, hogy honnan szerzik be a grafitot. Alternatívákra lesz szükségük.”
A szénszálak zöld előállításának átalakítása
A módszer a szénszálak elektrokémiai oxidációjával áll össze, víz és nitrát sav fürdőjében. A fürdő vezetőként működik, és amikor elektromos áramot küldenek a szénszálon, az anyag elkezd elektronokat veszíteni, ami a felület átalakulását okozza, hasonlóan ahhoz, ahogyan a rozsdásodás megjelenik egy autón.
Ez esetben az átalakulás nanoszkálájú grafén-oxid rétegeket húz le a szénszál felületéről. A kutatás felfedezett egy ablakot, ahol mindössze 5% nitrát sav tökéletes volt ezeknek a kicsi nanosheeteknek az előállítására, amelyek 0,1 és 1 mikrométer közötti méretűek, és körülbelül 0,9 nanométeres egyenletes vastagsággal rendelkeznek.
Fontos megjegyezni, hogy az így szintetizált GO nanosheetek körkörös és elliptikus formákban jelentek meg, ellentétben a bányászott grafitból származó természetes GO-ra jellemző sokszögletű formákkal. Az új megközelítés a meglévő szintetikus módszerekhez képest 200 milligramm GO-t eredményez grammonként szénszálra, ami életképessé teszi a nagy léptékű termelést, így megoldva a nanomateriálok szintézisének egyik kulcsproblémáját.
A grafén nanosheetek minőségi szabványainak biztosítása
A kutatók különböző fejlett technikákkal vizsgálták és mérték a grafén-oxid nanosheetek tulajdonságait és szerkezetét, hogy biztosítsák a minőségi szabványoknak való megfelelést. A kutatás azt is felfedezte, hogyan lehet eltávolítani a védő polimereket a kereskedelmi szénszálakról oxidáció előtt, 580 °C-ra való hevítéssel két órán át, valamint 1200 °C-ra való sokkoló hevítéssel három másodpercig – mindkettő hatékonynak bizonyult.
A kutatás bemutatta, hogy a grafén szálakban lévő elektromos vezetés természete kulcsszerepet játszik az elektrokémiai exfoliációs folyamatban. Olsson arra a következtetésre jutott, hogy a következő lépés a kutatásban a biobázisú források vizsgálata a szénszálakhoz, hogy mélyebben belemerüljenek a folyamat működésébe.
Érdekesség: A grafén mintegy 200-szor erősebb, mint a legjobb acél, és rendkívül könnyű, így ideális anyag lehet a jövő technológiai újításaiban.
Források: KTH Royal Institute of Technology, ResearchGate, ScienceDirect.
