Velkým problémem grafenu je, že je drahý. Jako neuvěřitelně silný, přesto neuvěřitelně lehký materiál má tolik potenciálních aplikací, ale jeho cena nečiní tolik z těchto možností finančně životaschopných.
Nyní však tým vědců v nanotechnologiích našel úplně nový způsob produkce grafenu; takže je výroba mnohem rychlejší a levnější pomocí jakékoli suroviny obsahující uhlík. To znamená, že uhlí, biocharty, koks, pneumatiky pro automobily, odpadní plasty a dokonce i staré potraviny jsou nyní praktickými zdroji grafenu.
Nová metoda byla objevena Jamesem Tourem, profesorem chemie, materiálových věd a nanotechnologií, a jeho kolegy na Rice University a vyrábějí atomově tenké listy s názvem „Flash Graphene“ kvůli rychlosti procesu a vzniku jasného světla během výroby.
Jak vysvětluje univerzitní tisková zpráva, „… flash grafen se vyrábí za 10 milisekund zahříváním materiálů obsahujících uhlík na 3 000 Kelvinů (asi 5 000 stupňů Fahrenheita).“
Teplo se však soustředí na reakci, jen velmi málo se jím plýtvá. "Veškerá přebytečná energie vychází jako světlo ve velmi jasném záblesku," říká Tour, "Za pár sekund můžete položit prst přímo na nádobu." A mějte na paměti, že je to téměř třikrát teplejší než chemické pece pro depozici par, které jsme dříve používali k výrobě grafenu, ale v procesu blesku se teplo koncentruje v uhlíkovém materiálu a žádné v okolním reaktoru. A protože neexistují žádná rozpouštědla. Je to super čistý proces. “
Tým nyní zveřejnil své výsledky v časopise Nature, kde vysvětluje, jak: „Většina grafenu ve velkém měřítku se vyrábí přístupem shora dolů, exfoliační grafit, který často vyžaduje velké množství rozpouštědla s vysokým energetickým mícháním, stříháním, sonikace nebo elektrochemické ošetření.“
Mezitím „Syntéza vysoce kvalitního grafenu zdola nahoru je často omezena na ultralehká množství, pokud je prováděna chemickou depozicí par nebo pokročilými syntetickými organickými metodami, nebo poskytuje strukturu s defektem, pokud je prováděna v hromadném roztoku.“
Místo toho vědci nyní poskytli nový přístup a prohlásili, že „… rychlé zahřívání levných zdrojů uhlíku - jako je uhlí a směsný plastový odpad - si může dovolit množství grafenu v gramovém měřítku za méně než jednu sekundu.“
"To je velká věc," říká Tour. „Svět vyhodí 30% až 40% veškerého jídla, protože se zkazí, a plastový odpad je celosvětovým problémem. Už jsme dokázali, že jakákoli pevná látka na bázi uhlíku, včetně směsných plastových odpadních a gumových pneumatik, může být přeměněna na grafen. “
Studie dále uvádí, jak může být produkovaný „Flash Graphene“ kvalitní. „Výnosy závisí na obsahu uhlíku ve zdroji; při použití zdroje s vysokým obsahem uhlíku, jako jsou saze, antracitové uhlí nebo kalcinovaný koks, se výtěžky mohou pohybovat v rozmezí 80 až 90% s čistotou uhlíku vyšší než 99%. “ A dodává k k tomu: „Nejsou nutné žádné kroky čištění.“
Z technického hlediska je významné, že vyrobený grafen má velmi praktickou formu.
Většina procesů, jako je odlupování z grafitu a chemické depozice par (CVD), způsobuje, že se typ grafenu nazývá AB - skládaný. I když může být tento grafen kvalitní, může být obtížné oddělit jednotlivé vrstvy. Nová metoda však vytváří „turbostratický“ grafen, který přichází ve vrstvách, které jsou špatně zarovnány s nižší adhezí, takže je lze snadno rozebrat. Výsledkem je, že se oddělují v jednoduchých rozpouštědlech nebo se při smíchání s kompozity rozpadají.
"To je důležité," poznamenává Tour, "protože teď můžeme dostat každou z těchto jedno atomových vrstev, aby komunikovala s hostitelem." Vzhledem k tomu, že současná komerční cena grafenu je 67 000 až 200 000 USD za tunu, vyhlídky na tento proces vypadají skvěle. “
Důvodem je, že Flash Graphene vypadá pravděpodobně mnohem levněji než v předchozím přístupu. „Náklady na elektrickou energii pro syntézu Flash Graphene jsou pouze asi 7,2 kilojoulu na gram,“ tvrdí zpráva, „což by mohlo Flash Graphene učinit vhodným pro použití ve velkoobjemových kompozitech z plastů, kovů, překližky, betonu a dalších stavebních materiálů.“
Fakt podporovaný společností Tour, který nastiňuje, jak v minulosti „bylo použití grafenu v těchto aplikacích příliš drahé. Proces flash výrazně sníží cenu a zároveň nám pomůže lépe nakládat s odpady.“
Díky tomu by se grafen mohl stát převratnou událostí ve všech průmyslových odvětvích a také by pomohl ekonomikám stát se uhlíkově neutrálnějšími.
Tour se například domnívá, že koncentrace pouze 0,1% Flash Graphene přidaného do cementu může zlepšit pevnost betonu o 35%. To znamená, že mnohem méně betonu by mohlo produkovat stejnou sílu.
„Posílením betonu grafenem bychom mohli použít méně betonu pro stavbu a výroba a doprava by byla také nižší,“ poznamenává Tour. "V zásadě zachycujeme skleníkové plyny, jako je oxid uhličitý a metan, které by odpadní potraviny emitovaly na skládky. Tyto uhlíky přeměňujeme na grafen a přidáváme tento grafen do betonu, čímž snižujeme množství oxidu uhličitého generovaného při výrobě betonu. Je to oboustranně výhodný scénář využívající grafen. “
Vzhledem k tomu, že výroba betonu představuje 8% emisí CO2 vyrobených člověkem, je Flash Graphene významným průlomem.
Environmentální výhody jsou zmiňovány ve studii Asst. Rouzbeh Shahsavari. „Grafen zde působí jako 2-D šablona a jako zpevňující činidlo, které řídí hydrataci cementu a následný vývoj pevnosti,“ říká. „Proměna odpadu na poklad je klíčem k oběhové ekonomice.“
„S naší metodou,“ poznamenává Tour, „se uhlík fixuje. Už se neuvolní do vzduchu. “ Navíc: „Když je tento proces industrializován, mohou být prvky jako kyslík a dusík, které opouštějí bleskový reaktor, zachyceny jako malé molekuly, protože mají hodnotu.“
Tým nyní pokračuje ve studiích, aby prozkoumal, jak Flash Graphene funguje, když se používá jako přísada do plastů a betonu. Rovněž zkoumají praktičnost zvyšování měřítka procesu výroby bleskovým způsobem, ale jsou si jisti, že tento relativně jednoduchý postup by mohl být reprodukován v průmyslovém měřítku.
V současné době lze v každém procesu vyrobit pouze gramová množství grafaldehydu.
S ohledem na to si tým stanovil cíl produkovat kilogram Flash Graphene denně za dva roky a zahájil projekt amerického ministerstva energetiky, který by používal uhlí jako surovinu.
"To by mohlo poskytnout odbyt uhlí ve velkém měřítku, jeho levnou přeměnou na stavební materiál s mnohem vyšší hodnotou," poznamenává Tour.
Ale více než to může umožnit, aby se grafen stal surovinou, která byla slibována výrobě, když byla poprvé objevena. Silný, lehký a flexibilní materiál „snů“ s výjimečnými vlastnostmi. Protože pokud nyní bylo nalezeno tajemství výroby grafenu rychle a za nízkou cenu, mohou být tyto sliby konečně splněny.
Více se můžete dozvědět o procesu výroby 2D materiálů a objevu Flash Graphene sledováním tohoto videa z Rice University na You Tube.
Zatímco zde Prof. James Tour vysvětluje, jak Flash Graphene může udělat svět bez plastů.
Fotografický kredit: Rice University a YouTube
