Onderzoekers zetten asfalteen om in grafeen voor composieten

Asfaltenen, een bijproduct van de productie van ruwe olie, zijn een afvalstof met potentieel. Wetenschappers van Rice University zijn vastbesloten om het te vinden door de koolstofrijke bron om te zetten in bruikbaar grafeen.

Muhammad Rahman, een assistent-onderzoeksprofessor in materiaalkunde en nano-engineering, maakt gebruik van Rice’s unieke flash Joule-verwarmingsproces om asfaltenen onmiddellijk om te zetten in turbostratisch (los uitgelijnd) grafeen en dit te mengen in composieten voor thermische, anticorrosie- en 3D-printtoepassingen.

Het proces maakt goed gebruik van materiaal dat anders wordt verbrand voor hergebruik als brandstof of wordt weggegooid in residubekkens en stortplaatsen. Het zou ook goed zijn voor het milieu om ten minste een deel van de wereldreserve van meer dan 1 biljoen vaten asfalteen te gebruiken als grondstof voor grafeen.

“Asfalteen is een grote hoofdpijn voor de olie-industrie, en ik denk dat er veel belangstelling voor zal zijn”, zegt Rahman, die het proces typeerde als zowel een schaalbare als duurzame manier om de koolstofemissies van het verbranden van asfalteen te verminderen.

Rahman is een hoofdcorresponderende auteur van de paper in Wetenschappelijke vooruitgang mede geleid door Rice-chemicus James Tour, wiens laboratorium flash Joule-verwarming ontwikkelde, materiaalwetenschapper Pulickel Ajayan en Md Golam Kibria, een assistent-professor in chemische en petroleumtechnologie aan de Universiteit van Calgary, Canada.

Asfaltenen zijn al voor 70% tot 80% koolstof. Het Rice-lab combineert het met ongeveer 20% roet om geleidbaarheid toe te voegen en flitst het met een schok van elektriciteit, waardoor het in minder dan een seconde in grafeen verandert. Andere elementen in de grondstof, waaronder waterstof, stikstof, zuurstof en zwavel, worden als gassen afgevoerd.

“We proberen het carbon black-gehalte zo laag mogelijk te houden omdat we het gebruik van asfalteen willen maximaliseren,” zei Rahman.

“De regering oefent druk uit op de aardolie-industrie om hiervoor te zorgen”, zegt Rice-afgestudeerde student en co-hoofdauteur MASR Saadi. “Er zijn miljarden vaten asfalteen beschikbaar, dus we begonnen voornamelijk aan dit project te werken om te zien of we koolstofvezel konden maken. Dat bracht ons ertoe te denken dat we misschien moesten proberen grafeen te maken met flash Joule-verwarming.”

Ervoor gezorgd dat het proces van Tour net zo goed werkte op asfalteen als op verschillende andere grondstoffen, waaronder plastic, elektronisch afval, bandenvliegas van steenkool en zelfs auto-onderdelen, gingen de onderzoekers dingen maken met hun grafeen.

Saadi, die samenwerkt met Rahman en Ajayan, mengde het grafeen in composieten en vervolgens in polymeerinkten bestemd voor 3D-printers. “We hebben de reologie van de inkt geoptimaliseerd om aan te tonen dat het printbaar is”, zei hij, waarbij hij opmerkte dat de inkten niet meer dan 10% grafeen bevatten. Mechanisch testen van geprinte objecten komt eraan, zei hij.

Rice-afgestudeerde student Paul Advincula, een lid van het Tour-lab, is co-hoofdauteur van het artikel.