Дешевый и экологичный графен из оболочек арахиса: австралийский процесс позволяет использовать 55.000.000 тонн этого «сухофрукта».

Графен — материал, состоящий из одного слоя атомов углерода, расположенных в гексагональной структуре, стал одним из ключевых объектов исследований в индустрии электромобилей.

С момента его первого выделения сочетание легкости, механической прочности и выдающейся электрической и теплопроводности вызвало интерес у производителей и поставщиков.

Графен и электромобили

В области электромобилей его наиболее перспективное применение связано с аккумуляторами, где он может использоваться в качестве добавки для анодов и катодов с целью повышения энергетической плотности, ускорения времени зарядки и снижения износа. Также исследуется его интеграция в гибридные суперконденсаторы для обеспечения более быстрой передачи мощности, что особенно важно в городских условиях и для транспортных средств, подвергающихся интенсивным циклам запуска и торможения.

Помимо хранения энергии, графен начинает находить применение и в других ключевых компонентах электромобилей. Его высокая теплопроводность позволяет создавать более эффективные системы управления температурой, необходимые для поддержания батареи в оптимальных температурных условиях и увеличения срока её службы. Кроме того, его прочность и низкая масса делают его подходящим материалом для усиления кузова и шасси, что способствует снижению массы без ущерба для безопасности — критического фактора для увеличения запаса хода.

Графен получают в основном путем шлифовки графита механическими или химическими методами с последующим разделением слоев до получения пластин толщиной в один атом; этот метод был распространен исследователями Манчестерского университета в 2004 году. В промышленных масштабах его также производят с помощью химического осаждения из паров (CVD), нанося слой углерода на металлические подложки, такие как медь или никель, при высокой температуре.

Теперь Сиднейский университет (UNSW Sydney) представил метод преобразования сельскохозяйственных отходов, а именно оболочек арахиса, в однослойный графен — материал, известный своей высокой прочностью и электропроводностью.

Исследование, проводимое командой профессора Гуан Йеох, изучает, как обильный и плохо используемый отход может стать сырьем для батарей, гибкой электроники и устройств хранения энергии.

Исследование основано на простом наблюдении: оболочки арахиса содержат лигнин — растительный полимер с высоким содержанием углерода. Используя этот состав, исследователи измельчают оболочки и подвергают их двухэтапной термической обработке с целью получения углеродного материала, пригодного в качестве предшественника графена.

На первом этапе оболочки нагреваются до примерно 500 °C в течение пяти минут, что позволяет устранить примеси и получить уголь с высоким содержанием углерода. На втором этапе применяется техника под названием «мгновенное нагревание Джоуля», при которой электрический импульс повышает температуру предшественника до почти 3.000 °C в течение всего нескольких миллисекунд; этот тепловой импульс переорганизует атомы углерода, образуя отдельные слои графена.

В отличие от многих промышленных процессов, описанный метод исключает использование химических веществ, таких как углеродный чёрный, и сокращает количество этапов и энергозатрат, необходимых для получения графена высокого качества. По словам авторов, весь процесс может быть завершён примерно за десять минут, что делает его конкурентоспособным по сравнению с альтернативами, требующими больше времени и ресурсов.

Авторы исследования подчеркивают, что полученный графен соответствует основным требованиям, делающим его привлекательным для технологических приложений: это один атомный слой с минимальными дефектами, высокая электрическая и теплопроводность, а также очень выгодное соотношение прочности к весу. Они напоминают, что графен «в сотни раз прочнее стали». Эти свойства делают его кандидатом на улучшение электродов батарей, компонентов датчиков и гибких сенсорных экранов.

Команда протестировала протокол с арахисовыми шелухами в качестве примера для исследования из-за их широкой доступности во всем мире: по оценкам, годовой объем производства арахиса составляет около 55 миллионов тонн, причем большая часть шелухи используется в продуктах низкой ценности или выбрасывается. Использование этого объема в качестве сырья может превратить отход в экономически ценный ресурс с меньшим ущербом для окружающей среды по сравнению с традиционными методами, основанными на нефтепродуктах.

Исследователи также отмечают, что ключ к успеху заключается в «инженерии прекурсора»: предварительная термическая обработка отходов позволяет в первую очередь устранить загрязнители и оптимизировать структуру угля, чтобы импульс высокой температуры создавал непрерывные слои графена с минимальным количеством дефектов. По мнению команды, именно такая оптимизация прекурсора является необходимым условием для обеспечения электрических и механических свойств готового материала.

Хотя текущие эксперименты привели к получению небольших количеств вещества (исследования проводятся в лабораторных условиях), авторы оптимистично настроены относительно возможности масштабирования процесса. Они считают, что при дальнейшей разработке процесс может быть переведен на коммерческое производство примерно через три-четыре года. Кроме того, они полагают, что другие источники, богатые лигнином, такие как кофейные осадки или кожура бананов, могут быть адаптированы с использованием того же подхода, что откроет путь к широкому спектру биомасс, способных быть преобразованы в графен.

Информация об исследовании была опубликована в пресс-релизе центра и представлена в статье, опубликованной в журнале Chemical Engineering Journal Advances. По вопросам пресс-релиза можно связаться с Нилом Мартином, ответственным за контент в центре.

Экономический и энергетический баланс относится к наиболее значимым выводам: расчёты команды показывают, что энергия, необходимая для производства килограмма графена с использованием этого метода, стоит примерно 1,30 американского доллара. Эта цифра наряду с коротким временем процесса (около десяти минут) и отсутствием химических реагентов служит основанием для считания этой технологии жизнеспособной с промышленной и экологической точек зрения.