Zespół uczonych z Uniwersytetu Princeton już w 2022 r. opracował technikę przekształcania biomasy odpadowej w grafen z wykorzystaniem nietoksycznego katalizatora żelazowego. Ale zespół kierowany przez prof. Ange Nzihou, wybitnego inżyniera chemii, nie wiedział dokładnie, jak działa ten proces i czy można go wykorzystać na szerszą skalę. Aż do teraz, efektem jest publikacja w czasopiśmie ACS Applied Nano Materials.
W mojej pracy inżyniera chemika często interesuję się końcowymi właściwościami materiałów i tym, jak można je zastosować w świecie rzeczywistym. Ale jeśli chcesz zoptymalizować właściwości produkowanych materiałów, musisz zrozumieć, co dzieje się w skali nano i atomowej, aby doprowadzić do transformacji. prof. Ange Nzihou
Grafen może być jeszcze lepszy, a przy tym “ekologiczny”
Grafen pod względem fizycznym składa się z warstwy pojedynczych atomów węgla ułożonych w sześciokątny wzór, wizualnie podobny do plastra miodu. Grafen jest więc alotropową odmianą węgla, powszechnie wytwarzaną poprzez chemiczne osadzanie z fazy gazowej – proces często stosowany w przemyśle półprzewodników. Ale ma on swoje minusy, gdyż bazuje na niebezpiecznych związkach chemicznych i drogich technologiach, a już na pewno nie jest “ekologiczny”.
Czytaj też: Materiał przyszłości znowu zachwyca. Pobił kolejny rekord
Uczeni z Uniwersytetu Princeton zwrócili się do niedostatecznie wykorzystywanych źródeł biomasy jako materiału wyjściowego. Niestety, większość z nich jest bogata w celulozę, obecną w ścianach komórkowych roślin, a tej nie da się przekształcić w grafen bez użycia materiałów toksycznych lub metali ziem rzadkich. Ale zespół prof. Nzihou znalazł sposób, by obejść ten szkopuł.
Wprowadzając żelazo do biomasy i ogrzewając ją w środowisku o ograniczonej zawartości tlenu w procesie znanym jako karbonizacja, możliwe jest przekształcenie bogatej w celulozę biomasy w materiał końcowy z rozległymi obszarami uporządkowanych arkuszy grafenowych. Kolejnym etapem było zrozumienie, co dokładnie dzieje się w skali atomowej i nano – korzystając z technik jak spektroskopia Ramana, transmisyjna mikroskopia elektronowa i pomiary magnetyczne, odkryto, że podczas ogrzewania tlenek żelaza rozpada się, tworząc nanocząsteczki. Gdy bogata w celulozę biomasa rozpuszcza się w wyższych temperaturach, wytrąca się w postaci warstw arkuszy grafenowych na powierzchni cząstek żelaza.
Czytaj też: Naukowcy okradli grafen z kolejnej tajemnicy. To najbardziej magnetoodporny materiał
Uczeni odkryli, że lepiej sprawdza się kilka większych nanocząstek żelaza niż wiele mniejszych, co jest pomocną wskazówką, która może być wykorzystana przy produkcji “zielonego” grafenu. Proces jest stale udoskonalany i wkrótce może trafić do szerszego obiegu.
Teraz, gdy rozumiemy mechanizm, możemy dowiedzieć się, jak ulepszyć proces i zoptymalizować właściwości arkuszy grafenu w porównaniu z konwencjonalną metodą chemicznego osadzania z fazy gazowej, a nawet rozważyć sposoby skalowania go w najbliższej przyszłości. Ostatecznie nasza praca polega na opracowywaniu przyjaznych dla środowiska zaawansowanych materiałów węglowych przy jednoczesnym zamykaniu pętli węglowej i ograniczaniu emisji dwutlenku węgla. prof. Ange Nzihou
