De ‘Flash Joule’-techniek zet potentiële vervuiling efficiënt om in waardevolle nanomaterialen

Die frisdrankfles of afhaalcontainer in de prullenbak gooien, is verre van een garantie dat er iets nieuws van wordt gemaakt. Wetenschappers van Rice University proberen dit probleem aan te pakken door het proces winstgevend te maken.

Volgens de Organisatie voor Economische Samenwerking en Ontwikkeling is de hoeveelheid wereldwijd geproduceerd plastic afval de afgelopen twee decennia verdubbeld – en de plasticproductie zal naar verwachting tegen 2050 verdrievoudigen – waarbij het meeste op stortplaatsen terechtkomt, wordt verbrand of anderszins slecht wordt beheerd. Sommige schattingen suggereren slechts 5% wordt daadwerkelijk gerecycled.

“Afvalplastic wordt zelden gerecycled omdat het veel geld kost om al het plastic te wassen, te sorteren en te smelten om er een materiaal van te maken dat door een fabriek kan worden gebruikt”, zegt Kevin Wyss, een Rice-afgestudeerde student en hoofdauteur van een studie gepubliceerd in Geavanceerde materialen dat beschrijft hoe hij en collega’s in het lab van chemicus James Tour hun flash Joule-verwarmingstechniek gebruikten om plastic om te zetten in waardevolle koolstofnanobuisjes en hybride nanomaterialen.

“We waren in staat om een ​​hybride koolstofnanomateriaal te maken dat beter presteerde dan zowel grafeen als in de handel verkrijgbare koolstofnanobuizen”, zei Wyss.

Grafeen, koolstofnanobuisjes en andere op koolstof gebaseerde nanomaterialen zijn over het algemeen sterk en chemisch robuust, hebben een lage dichtheid en een groot oppervlak, en bezitten geleidbaarheid en breedbandige elektromagnetische absorptiemogelijkheden. Dit maakt ze bruikbaar in een verscheidenheid aan industriële, medische en elektronische toepassingen zoals composieten, coatings, sensoren, elektrochemische energieopslag en meer.

“Wat deze keer echt interessant was aan onze resultaten, is dat we deze koolstofnanobuisjes konden maken met stukjes grafeen aan de uiteinden”, zei Wyss. “Je kunt de structuur van dit nieuwe hybride nanomateriaal zien als taugé of lolly’s. Deze zijn normaal gesproken heel moeilijk te maken, en het feit dat we ze van afvalplastic hebben kunnen maken, is heel bijzonder.”

De structuur van het nieuwe hybride koolstofnanomateriaal is verantwoordelijk voor de verbeterde prestaties.

‘Laten we zeggen dat ik een draadje uit een trui probeerde te trekken,’ zei Wyss. “Als de draad recht en glad is, kan hij er soms vrij gemakkelijk uitkomen en het weefsel verpesten. Hetzelfde geldt voor de koolstofnanobuisjes: als deze massa’s grafeen aan de uiteinden zijn bevestigd, worden ze veel moeilijker te verwijderen, waardoor de composiet wordt versterkt. .

“Je kunt het ook op deze manier zien: als je een splinter krijgt, is het gemakkelijk om eruit te halen. Maar als je wordt geprikt met iets dat een kromming aan het uiteinde heeft, zoals een vishaak, is het veel moeilijker om eruit te halen, ” hij voegde toe.

Het plastic, dat niet hoeft te worden gesorteerd of gewassen zoals bij traditionele recycling, wordt “geflitst” bij temperaturen van meer dan 3.100 Kelvin (ongeveer 5.120 graden Fahrenheit). “Het enige wat we doen is het materiaal in kleine stukjes van confetti-formaat malen, een beetje ijzer toevoegen en een kleine hoeveelheid van een andere koolstof – bijvoorbeeld houtskool – mengen voor geleidbaarheid, ” zei Wyss.

“Het recyclen van plastic kost meer dan alleen het produceren van nieuw plastic”, voegde hij eraan toe. “Er is heel weinig economische stimulans om plastic te recyclen. Daarom zijn we overgestapt op upcycling, of het omzetten van laagwaardig afvalmateriaal in iets met een hogere geldwaarde of gebruikswaarde. Als we plastic afval kunnen omzetten in iets waardevollers, dan kunnen mensen geld verdienen weg van verantwoordelijkheid in hoe ze omgaan met afgedankte plastics.”

Uit een levenscyclusanalyse van het productieproces bleek dat flash Joule-verwarming aanzienlijk energiezuiniger en milieuvriendelijker was dan bestaande productieprocessen voor nanobuisjes.

“Vergeleken met commerciële methoden voor de productie van koolstofnanobuizen die momenteel worden gebruikt, gebruikt de onze ongeveer 90% minder energie en genereert 90% -94% minder koolstofdioxide, ” zei Wyss.

Tour, een co-auteur van de studie, is de TT en WF Chao Professor of Chemistry en een professor in materiaalkunde en nano-engineering in Rice’s George R. Brown School of Engineering.