Grafene economico ed ecologico ottenuto dalle bucce di arachidi: un processo australiano sfrutta le 55.000.000 di tonnellate di questo “frutto secco”.

Il grafene, un materiale costituito da un’unica strato di atomi di carbonio disposti in una struttura esagonale, è diventato uno dei principali obiettivi di ricerca per l’industria automobilistica elettrica.

Dal momento in cui è stato isolato per la prima volta, la sua combinazione di leggerezza, resistenza meccanica e straordinaria conducibilità elettrica e termica ha suscitato l’interesse di produttori e fornitori.

Grafene e auto elettriche

Nel campo della mobilità elettrica, la sua applicazione più promettente riguarda le batterie, dove può agire come additivo negli anodi e nei catodi per migliorare la densità energetica, accelerare i tempi di carica e ridurre la degradazione. Si sta inoltre studiando la sua integrazione nei supercondensatori ibridi, al fine di offrire una fornitura di potenza più rapida, aspetto particolarmente rilevante in ambienti urbani e nei veicoli sottoposti a cicli intensivi di avviamento e frenata.

Oltre alla conservazione dell’energia, il grafene inizia a trovare applicazioni anche in altri componenti chiave dei veicoli elettrici. La sua elevata conducibilità termica permette di progettare sistemi di gestione termica più efficienti, fondamentali per mantenere la batteria in range di temperatura ottimali e prolungarne la durata. Inoltre, la sua resistenza e il basso peso lo rendono adatto per rinforzi strutturali nelle carrozzerie e nei telai, contribuendo a ridurre la massa senza compromettere la sicurezza, un fattore cruciale per aumentare l’autonomia.

Viene ottenuto principalmente attraverso l’esfoliazione del grafite, sia meccanica che chimica, separando gli strati fino a isolare foglietti spessi un atomo, metodo reso popolare da ricercatori dell’Università di Manchester nel 2004. Su scala industriale viene anche prodotto mediante deposizione chimica da vapore (CVD), facendo crescere uno strato di carbonio su substrati metallici come rame o nichel ad alta temperatura.

Ora l’Università di Sydney (UNSW Sydney) ha presentato un metodo per trasformare rifiuti agricoli, in particolare le bucce di arachidi, in grafene a singolo strato, un materiale noto per la sua estrema resistenza e alta conducibilità.

La ricerca, guidata dal team del professor Guan Yeoh, studia come un rifiuto abbondante e poco sfruttato possa diventare una materia prima per batterie, dispositivi elettronici flessibili e sistemi di accumulo energetico.

Il lavoro parte da un’osservazione semplice: le bucce di arachidi contengono lignina, un polimero vegetale ad alto contenuto di carbonio. Sfruttando questa composizione, i ricercatori macinano le bucce e le sottopongono a un trattamento termico in due fasi per ottenere un materiale carbonioso idoneo come precursore del grafene.

La prima fase consiste nel riscaldare le bucce a circa 500 °C per cinque minuti, il che elimina le impurità e genera un carbone ricco di carbonio. La seconda fase applica una tecnica chiamata “flash joule heating”, in cui una scarica elettrica eleva la temperatura del precursore fino a quasi 3.000 °C in soli pochi millisecondi; quel impulso termico riorganizza gli atomi di carbonio fino a formare strati singoli di grafene.

A differenza di molti processi industriali, il metodo descritto evita l’uso di prodotti chimici come il nero di carbonio e riduce il numero di passaggi e l’energia necessari per ottenere grafene di alta qualità. Secondo gli autori, l’intera procedura può essere completata in circa dieci minuti, il che la rende competitiva rispetto ad alternative più intensive in termini di tempo e risorse.

I responsabili dello studio sottolineano che il grafene ottenuto soddisfa le condizioni di base che lo rendono attraente per applicazioni tecnologiche: un’unica strato atomico con minimi difetti, elevata conducibilità elettrica e termica, nonché un rapporto resistenza-peso molto favorevole. Gli autori ricordano che il grafene è “centinaia di volte più resistente dell’acciaio”. Queste proprietà lo rendono un candidato ideale per migliorare gli elettrodi delle batterie, i componenti dei sensori e le schermate tattili flessibili.

Il team ha testato il protocollo utilizzando gusci di arachidi come caso di studio a causa della loro disponibilità globale: si stima che la produzione annuale di arachidi raggiunga circa 55 milioni di tonnellate, e la maggior parte dei gusci finisce in applicazioni a basso valore o come rifiuti. Sfruttare tale quantità come materia prima potrebbe trasformare un residuo in un input economicamente interessante e con un impatto ambientale minore rispetto ai metodi convenzionali basati su derivati del petrolio.

Gli investigatori sottolineano inoltre che la chiave del successo risiede nell’“ingegneria del precursore”: il trattamento termico preliminare dei rifiuti favorisce l’eliminazione dei contaminanti e ottimizza la struttura del carbone, in modo che il pulso ad alta temperatura produca strati continui di grafene con pochi difetti. Secondo il team, tale ottimizzazione del precursore è la condizione necessaria per garantire le proprietà elettriche e meccaniche del materiale finale.

Anche se gli esperimenti attuali hanno prodotto quantità ridotte (si tratta di prove in laboratorio), gli autori sono ottimisti riguardo alla possibilità di ampliare la scala. Affermano che, con ulteriori sviluppi, il processo potrebbe essere portato alla produzione commerciale entro un periodo stimato di tre a quattro anni. Inoltre, ritengono che altre fonti ricche di lignina, come i residui di caffè o le bucce di banana, possano essere adattate allo stesso approccio, aprendo la strada a un ampio catalogo di biomasse convertibili in grafene.

La ricerca è stata resa nota attraverso un comunicato del centro e è raccolta in un articolo pubblicato sulla rivista Chemical Engineering Journal Advances. Per informazioni sulla nota stampa, è possibile contattare Neil Martin, responsabile dei contenuti del centro.

Il bilancio economico ed energetico rientra tra le scoperte più importanti: i calcoli del team indicano che l’energia necessaria per produrre un chilo di grafene con questo metodo comporta un costo approssimativo di 1,30 dollari statunitensi. Questo valore, unito al tempo ridotto del processo (circa dieci minuti) e all’assenza di reagenti chimici, costituisce la base per considerare questa tecnica fattibile dal punto di vista industriale e ambientale.