Skorupki z orzeszków ziemnych zamiast ropy: tani przepis na grafen

Naukowcy z Australii pokazali, że z niepozornych skorupek orzeszków ziemnych da się w kilka minut wytworzyć wysokiej jakości grafen – materiał uchodzący za „cudowny”, ale wciąż bardzo drogi w produkcji. Co ważne, robią to bez agresywnej chemii i przy zaskakująco niskim zużyciu energii.

Czym właściwie jest grafen i dlaczego robi tyle szumu

Grafen to jedna, ultracienka warstwa atomów węgla ułożonych w heksagonalną sieć. Ma grubość jednego atomu, a mimo to:

• jest mocniejszy od stali,
• przewodzi prąd lepiej niż miedź,
• jest lekki i prawie przezroczysty,
• świetnie przewodzi ciepło.

Inżynierowie widzą w nim materiał do baterii nowej generacji, superczułych czujników, elastycznych ekranów czy ekstremalnie szybkiej elektroniki. Problem? Produkcja grafenu wysokiej jakości jest skomplikowana i droga. Wymaga albo drogich podłoży i wysokich temperatur, albo agresywnych reagentów chemicznych, które trudno później bezpiecznie zagospodarować.

Skorupki orzeszków zamiast ropy naftowej

Co roku na świecie powstają ponad dziesięć milionów ton skorupek po orzeszkach ziemnych. W dużej części kończą w kompoście, jako tani wypełniacz lub po prostu jako odpad. Tymczasem ich ściany są pełne ligniny – roślinnego polimeru bogatego w węgiel, idealnego „paliwa” do wytwarzania grafenu.

Przeczytaj również: Steam rozdaje kultową przygodówkę za darmo. Masz tylko tydzień

Australijski zespół z Uniwersytetu Nowej Południowej Walii postanowił pominąć klasyczną drogę od ropy naftowej przez sadzę techniczną i sięgnął bezpośrednio po biomasę. Klucz tkwi w sprytnym potraktowaniu skorupek wysoką temperaturą, ale w dwóch wyraźnie rozdzielonych krokach.

Proces zamienia tani, rolniczy odpad w zaawansowany nanomateriał, zużywając energię wartą około 1,30 dolara na kilogram grafenu.

Jak z łupinki zrobić nanomateriał: dwa kroki obróbki cieplnej

Etap pierwszy: pięć minut w 500 stopniach

Na początku skorupki są mechanicznie rozdrabniane. Taki proszek trafia do reaktora, gdzie przechodzi pierwsze ogrzewanie – około 500°C przez mniej więcej pięć minut. Ciepło pochodzi z efektu Joule’a, czyli przepływu prądu przez element grzejny.

Przeczytaj również: Tak może wyglądać Ziemia za 250 mln lat. Francja w zaskakującym miejscu

W tej fazie z biomasy odparowują lotne składniki: tlen, wodór, resztki wody i inne zanieczyszczenia. Zostaje „czysty” węglowy węgiel drzewny z uporządkowanymi pierścieniami aromatycznymi – strukturalnie bliżej mu już do grafitu niż do zwykłej rośliny.

Etap drugi: błyskawiczny szok cieplny powyżej 3000°C

Druga faza to tzw. flash Joule heating. Przez przygotowany węglowy proszek przepuszcza się bardzo krótką, ale intensywną impulsową dawkę energii elektrycznej. Temperatura skacze powyżej 3000°C, lecz tylko na kilka milisekund.

Przeczytaj również: 7 części garderoby, z których złożysz dziesiątki stylowych zestawów

W tak ekstremalnych warunkach atomy węgla „przestawiają się” i zaczynają układać w cienkie warstwy o strukturze grafenu. Cały proces – od rozdrobnienia skorupek do grafenowego proszku – zajmuje około dziesięciu minut.

O jakości końcowego grafenu decyduje jakość pośredniego węgla drzewnego – bez starannego wstępnego prażenia rośnie liczba defektów w strukturze.

Bez chemikaliów i toksycznych odpadów

Dużą zaletą nowej metody jest to, czego… w niej nie ma. Naukowcy nie używają rozpuszczalników, kwasów ani soli metali przejściowych. Ogranicza to ilość niebezpiecznych odpadów, ułatwia oczyszczanie materiału i zmniejsza koszty instalacji przemysłowej.

Cała energia trafia wprost do materiału i elementów grzejnych, a nie w wielkie piece i otoczenie. Daje to bardzo wysoką efektywność energetyczną. Według obliczeń zespołu, energia potrzebna do wyprodukowania kilograma grafenu kosztuje około 1,30 dolara amerykańskiego. To radykalnie mniej niż w wielu obecnych technologiach.

Grafen „turbostratyczny” – nie idealny, ale bardzo użyteczny

Powstały materiał nie jest idealną, pojedynczą warstwą grafenu, którą lubią pokazywać podręczniki. Ma postać kilku cienkich arkuszy, w dodatku ułożonych względem siebie nieco chaotycznie. Specjaliści nazywają taką formę grafenem turbostratycznym.

Ta „niedoskonałość” paradoksalnie bywa zaletą. Luźniejsze ułożenie warstw ułatwia rozdzielanie płatków grafenu, ich mieszanie z innymi materiałami i integrację z elektrodami. Tego typu struktura świetnie sprawdza się w praktycznych zastosowaniach, takich jak:

• elektrody w bateriach litowo-jonowych i superkondensatorach,
• przewodzące powłoki w panelach słonecznych,
• przezroczyste warstwy w ekranach dotykowych,
• czujniki medyczne i bioczujniki,
• lekkie, wzmacniane kompozyty dla motoryzacji i lotnictwa.

Dla przemysłu często liczy się nie laboratoryjna idealność, lecz relacja ceny do osiąganych parametrów. Z tego punktu widzenia grafen z biomasy wypada bardzo obiecująco.

Od laboratorium do fabryki: realne perspektywy skali

Zespół z Sydney planuje w ciągu trzech–czterech lat uruchomić prototypową linię produkcyjną. Flash Joule heating z definicji dobrze nadaje się do skalowania – to w gruncie rzeczy elektryczne „strzały” energii, które można powtarzać cyklicznie dla coraz większych porcji materiału.

Jeśli proces uda się przenieść z niewielkiego reaktora na moduły przemysłowe, kilka rzeczy może się zmienić:

Australijczycy nie chcą ograniczać się do orzeszków. Już planują testy z fusami po kawie i skórkami bananów – to kolejne przykłady biomasy bogatej w ligninę i węgiel. W każdym z tych przypadków chodzi o to samo: zamienić tani, lokalny odpad w materiał wysokiej wartości dodanej.

Co to może znaczyć dla zwykłego użytkownika elektroniki

Dla przeciętnej osoby korzystającej z telefonu, laptopa czy samochodu elektrycznego zmiana będzie niewidoczna na pierwszy rzut oka. Jeśli jednak takie procesy się przyjmą, z czasem mogą przełożyć się na dłużej działające baterie, cieńsze i bardziej odporne ekrany, wolniejszą degradację ogniw w magazynach energii.

W tle będzie działał jeszcze jeden efekt: lepsze wykorzystanie odpadów rolniczych. Ten sam worek z łupinami po orzeszkach, który dziś zasila kompostownik, za kilka lat może trafiać do zakładu produkującego komponenty do elektroniki czy magazynów energii dla fotowoltaiki.

Dlaczego biomasa tak dobrze pasuje do nanomateriałów

Rośliny przez cały okres wzrostu „zbierają” węgiel z dwutlenku węgla i układają go w różne struktury – od celulozy po ligninę. Naukowcy coraz chętniej traktują te naturalne sieci jako gotowy szkielet, który można odpowiednio „przypalić” i przeorganizować, zamiast syntetyzować od zera na bazie paliw kopalnych.

Przepis, który Australijczycy zastosowali dla skorupek orzeszków, można traktować jako szablon: wstępne, kontrolowane zwęglenie, a potem krótki, bardzo intensywny szok cieplny. Jeśli uda się dopracować parametry dla różnych typów biomasy, może powstać cała rodzina tanich nanomateriałów z odpadów – od grafenu po inne formy węgla przewodzącego.

Dla sektora technologicznego to ciekawa perspektywa połączenia trzech elementów naraz: niższych kosztów surowców, łatwiejszego recyklingu i ograniczenia zależności od ropy naftowej. A dla rolnictwa i przetwórstwa żywności – szansa, by część niechcianych odpadów zyskała drugie życie w zaawansowanych urządzeniach, z których korzystamy każdego dnia.