Дешевий та екологічний графен з оболонок арахісу: австралійський процес використовує 55 000 000 тонн цього «сухофрукта».
Графен – матеріал, який складається з одного шару атомів вуглецю, розташованих у гексагональній структурі, – став одним із головних об’єктів досліджень у промисловості електромобілів.
З моменту його вперше ізоляції поєднання легкості, механічної міцності та надзвичайної електричної та теплової провідності викликало інтерес у виробників та постачальників.
Графен та електромобілі
У сфері електромобільності його найбільш перспективне застосування пов’язане з акумуляторами, де він може використовуватися як добавка до анодів та катодів для підвищення енергетичної щільності, прискорення часу заряджання та зменшення деградації. Також досліджується його інтеграція у гібридні суперконденсатори з метою забезпечення швидшого постачання потужності, що є особливо важливим у міських умовах та у транспортних засобах, які піддаються інтенсивним циклам запуску та гальмування.
Окрім зберігання енергії, графен починає знаходити застосування в інших ключових компонентах електромобіля. Його висока теплопровідність дозволяє створювати більш ефективні системи керування теплом, що є важливим для підтримки акумулятора в оптимальних температурних умовах та подовження його терміну служби. Крім того, його міцність та низька вага роблять його підходящим матеріалом для посилення конструкції кузова та шасі, що допомагає зменшити масу без порушення безпеки — фактора, критичного для збільшення дальності їзди.
Графен отримують переважно шляхом ексфоліації графіту — механічною чи хімічною — шляхом розділення його шарів до отримання пластин товщиною в один атом, метод, який популяризували дослідники Манчестерського університету у 2004 році. У промислових масштабах його також виробляють за допомогою хімічного осадження з пари (CVD), наносячи шар вуглецю на металеві підкладки, такі як мідь чи нікель, при високих температурах.
Тепер Університет Сіднея (UNSW Sydney) представив метод перетворення сільськогосподарських відходів, а саме оболонок арахісу, на одношаровий графен — матеріал, відомий своєю надзвичайною міцністю та високою електропровідністю.
Дослідження, яким керує команда професора Гуан Єох, вивчає, як поширений та маловикористаний відход може стати сировиною для акумуляторів, гнучкої електроніки та пристроїв для зберігання енергії.
Ця робота ґрунтується на простому спостереженні: оболонки арахісу містять лігнін — рослинний полімер із високим вмістом вуглецю. Використовуючи цей склад, дослідники подрібнюють оболонки та піддають їх двофазній термічній обробці для отримання вуглецевого матеріалу, придатного як прекурсор графену.
Перша стадія полягає у нагріванні оболонок до приблизно 500 °C протягом п’яти хвилин, що дозволяє усунути домішки та отримати вугілля з високим вмістом вуглецю. На другій стадії застосовується технологія під назвою «швидке нагрівання Джуля», під час якої електричний імпульс підвищує температуру прекурсора майже до 3.000 °C протягом кількох мілісекунд; цей термічний імпульс реорганізовує атоми вуглецю, утворюючи окремі шари графену.
На відміну від багатьох промислових процесів, описаний метод уникає використання хімічних речовин, таких як вуглецевий чорнило, та зменшує кількість етапів та енергію, необхідну для отримання графену високої якості. За словами авторів, весь процес може бути завершений приблизно за десять хвилин, що робить його конкурентоспроможним порівняно з альтернативами, які вимагають більше часу та ресурсів.
Керівники дослідження підкреслюють, що отриманий графен відповідає основним умовам, які роблять його привабливим для технологічних застосувань: це один атомний шар із мінімальними дефектами, висока електрична та теплопровідність, а також дуже сприятливе співвідношення опору та ваги. Автори нагадують, що графен є «у сотні разів міцнішим за сталь». Ці властивості роблять його кандидатом для покращення електродів акумуляторів, компонентів датчиків та гнучких сенсорних екранів.
Команда протестувала протокол із оболонками арахісу як приклад для дослідження через їхню глобальну доступність: за оцінками, щорічне виробництво арахісу становить близько 55 мільйонів тонн, і більша частина оболонок потрапляє у сфери з низькою цінністю або стає відходами. Використання цього обсягу як сировини могло б перетворити відходи на економічно привабливий ресурс із меншим впливом на навколишнє середовище порівняно з традиційними методами, що ґрунтуються на нафтопродуктах.
Дослідники також зазначають, що ключем до успіху є «інженерія попередника»: теплова попередня обробка відходів сприяє усуненню забруднювачів та оптимізує структуру вугілля, щоб імпульс високої температури створював безперервні шари графену з мінімумом дефектів. За словами команди, саме ця оптимізація попередника є необхідною умовою для забезпечення електричних та механічних властивостей кінцевого матеріалу.
Хоча поточні експерименти дали невеликі кількості продукту (це лабораторні дослідження), автори оптимістично налаштовані щодо можливостей масштабування. Вони стверджують, що за умови подальшого розвитку процес може бути переведений у комерційне виробництво протягом трьох–чотирьох років. Крім того, вони вважають, що інші джерела, багаті на лігнін, такі як кавові відходи чи шкірки бананів, можна буде адаптувати до цього підходу, що відкриє шлях до широкого спектру біомас, які можна перетворити на графен.
Ці дослідження були оприлюднені через прес-реліз центру та узагальнені у статті, опублікованій у журналі Chemical Engineering Journal Advances. Щодо запитань щодо прес-релізу можна звернутися до Ніла Мартіна, відповідального за контент у центрі.
Економічний та енергетичний баланс є одним із найважливіших висновків: розрахунки команди показують, що енергія, необхідна для виробництва кілограма графену за допомогою цього методу, коштує приблизно 1,30 доларів США. Ця цифра, разом із скороченим часом процесу (близько десяти хвилин) та відсутністю хімічних реагентів, є основою для твердження про доцільність цього методу з промислової та екологічної точок зору.
