Tani i ekologiczny grafen z skórek orzeszków ziemnych: australijski proces wykorzystuje 55.000.000 ton tego „suchego owocu”.

Graphen, materiał składający się z jednej warstwy atomów węgla ułożonych w strukturze sześciokątnej, stał się jednym z głównych obszarów badań w przemyśle pojazdów elektrycznych.

Odkąd po raz pierwszy został odizolowany, jego połączenie lekkości, wytrzymałości mechanicznej oraz niezwykłej przewodności elektrycznej i termicznej wzbudziło zainteresowanie producentów i dostawców.

Graphen a samochody elektryczne

W obszarze mobilności elektrycznej jego najbardziej obiecujące zastosowanie dotyczy baterii, gdzie może pełnić rolę dodatku w anodach i katodach w celu poprawy gęstości energetycznej, przyspieszenia czasu ładowania oraz zmniejszenia degradacji. Badana jest również jego integracja w hybrydowe superkondensatory, aby zapewnić szybszą dostawę mocy, co jest szczególnie istotne w środowiskach miejskich oraz w pojazdach poddawanych intensywnym cyklom rozruchu i hamowania.

Poza zastosowaniami w magazynowaniu energii, grafen zaczyna znajdować zastosowanie w innych kluczowych komponentach pojazdów elektrycznych. Jego wysoka przewodność cieplna umożliwia projektowanie bardziej efektywnych systemów zarządzania ciepłem, które są niezbędne do utrzymania baterii w optymalnych zakresach temperatury i wydłużenia jej żywotności. Ponadto jego wytrzymałość i niska masa czynią go odpowiednim materiałem do wzmocnień konstrukcyjnych karoserii i podwozia, co pomaga zmniejszyć masę pojazdu bez narażania bezpieczeństwa – co jest kluczowym czynnikiem wpływającym na zwiększenie zasięgu.

Uzyskuje się go głównie poprzez złuszczanie grafitu, mechaniczne lub chemiczne, poprzez oddzielanie warstw aż do izolacji blaszek o grubości jednego atomu – metodę tę upopularnili badacze z Uniwersytetu w Manchesterze w 2004 roku. Na skalę przemysłową wytwarza się go również metodą chemicznego osadzania z par (CVD), polegającą na tworzeniu warstwy węgla na podłożach metalicznych takich jak miedź czy nikiel w wysokiej temperaturze.

Teraz Uniwersytet w Sydney (UNSW Sydney) przedstawił metodę przekształcania odpadów rolniczych, a konkretnie skórek orzeszków ziemnych, w grafen jednowarstwowy – materiał znany ze swojej wyjątkowej wytrzymałości i wysokiej przewodności.

Badania, prowadzone przez zespół profesora Guan Yeoh, analizują, w jaki sposób powszechny i mało wykorzystywany odpad może stać się surowcem do produkcji baterii, elastycznej elektroniki oraz urządzeń do przechowywania energii.

Praca opiera się na prostym spostrzeżeniu: skórki orzeszków ziemnych zawierają ligninę, polimer roślinny o wysokim zawartości węgla. Wykorzystując tę składnikę, badacze mielą skórki i poddają je dwufazowemu obróbce termicznej, aby uzyskać materiał węglowy nadający się jako prekursor grafenu.

Pierwszy etap polega na podgrzewaniu skórek do około 500 °C przez pięć minut, co eliminuje zanieczyszczenia i tworzy węgiel bogaty w węgiel. W drugiej fazie stosuje się technikę zwaną „flash joule heating”, w której wyładowanie elektryczne podnosi temperaturę prekursora do prawie 3.000 °C w ciągu zaledwie kilku milisekund; ten impuls termiczny przearanżowuje atomy węgla, tworząc pojedyncze warstwy grafenu.

W odróżnieniu od wielu procesów przemysłowych, opisana metoda unika użycia chemikaliów takich jak czarny węgiel i zmniejsza liczbę kroków oraz energię potrzebną do uzyskania grafenu wysokiej jakości. Według autorów cała procedura może zostać zakończona w około dziesięć minut, co czyni ją konkurencyjną w porównaniu z alternatywami wymagającymi większej ilości czasu i zasobów.

Badacze podkreślają, że uzyskany grafen spełnia podstawowe warunki, które czynią go atrakcyjnym do zastosowań technologicznych: składa się z jednej warstwy atomowej z minimalnymi niedoskonałościami, ma wysoką przewodność elektryczną i termiczną oraz bardzo korzystny stosunek wytrzymałości do masy. Autorzy przypominają, że grafen jest „setki razy wytrzymalszy od stali”. Te właściwości czynią go kandydatem do ulepszenia elektrod w bateriach, komponentów czujników oraz elastycznych ekranów dotykowych.

Zespół przetestował protokół z łupinami orzeszków ziemnych jako przykład badawczy ze względu na ich powszechną dostępność na całym świecie: szacuje się, że roczna produkcja orzeszków ziemnych wynosi około 55 milionów ton, a większość łupin trafia do zastosowań o niskiej wartości lub jest wyrzucana. Wykorzystanie tej ilości jako surowca mogłoby przekształcić odpad w surowiec o znaczeniu ekonomicznym oraz o mniejszym wpływie na środowisko w porównaniu z konwencjonalnymi metodami opartymi na produktach naftowych.

Naukowcy wskazują ponadto, że kluczem do sukcesu jest „inżynieria prekursora”: wstępne obróbki termiczne odpadów umożliwiają skuteczniejsze usunięcie zanieczyszczeń oraz optymalizację struktury węgla, dzięki czemu impuls wysokiej temperatury tworzy ciągłe warstwy grafenu z niewieloma defektami. Ta optymalizacja prekursora jest, według zespołu, warunkiem koniecznym do zapewnienia właściwości elektrycznych i mechanicznych ostatecznego materiału.

Chociaż obecne eksperymenty przyniosły niewielkie ilości (są to prace laboratoryjne), autorzy są optymistycznie nastawieni co do możliwości skalowania. Wskazują, że dzięki dalszym pracom proces ten mógłby zostać wprowadzony do produkcji komercyjnej w ciągu około trzech do czterech lat. Ponadto uważają, że inne źródła bogate w ligninę, takie jak osady kawowe czy skórki bananów, mogłyby zostać dostosowane do tego samego podejścia, co otworzyłoby drogę do szerokiej gamy biomasy mogącej zostać przekształcona w grafen.

Badania zostały przedstawione w komunikacie prasowym centrum i znajdują się w artykule opublikowanym w czasopiśmie Chemical Engineering Journal Advances. W sprawach związanych z tym komunikatem należy skontaktować się z Neilem Martinem, odpowiedzialnym za treści w centrum.

Bilans ekonomiczny i energetyczny należy do najważniejszych ustaleń: obliczenia zespołu wskazują, że energia potrzebna do wyprodukowania kilograma grafenu przy użyciu tej metody kosztuje około 1,30 dolara amerykańskiego. Ta kwota, w połączeniu z krótkim czasem trwania procesu (około dziesięciu minut) oraz brakiem reagentów chemicznych, stanowi podstawę argumentów za uznaniem tej techniki za wykonalną z punktu widzenia przemysłowego i środowiskowego.