Flash-grafeen schommelt strategie voor plastic afval

Plastic afval komt terug in het zwart als ongerept grafeen, dankzij ACDC.

Dat is wat wetenschappers van Rice University het proces noemen dat ze gebruikten om efficiënt gebruik te maken van afvalplastic dat anders zou bijdragen aan de milieuproblemen van de planeet. In dit geval heeft het laboratorium van Rice-chemicus James Tour zijn methode aangepast om flash-grafeen te maken om het te verbeteren voor het recyclen van plastic tot grafeen.

De studie van het lab verschijnt in het tijdschrift American Chemical Society ACS Nano.

Simpel gezegd, in plaats van de temperatuur van een koolstofbron met gelijkstroom te verhogen, zoals in het oorspronkelijke proces, stelt het laboratorium plastic afval eerst bloot aan ongeveer acht seconden wisselstroom met hoge intensiteit, gevolgd door de gelijkstroomschok.

De producten zijn hoogwaardig turbostratisch grafeen, een waardevolle en oplosbare stof die kan worden gebruikt om elektronica, composieten, beton en andere materialen te verbeteren, en koolstofoligomeren, moleculen die uit het grafeen kunnen worden afgevoerd voor gebruik in andere toepassingen.

“We produceren een aanzienlijke hoeveelheid waterstof, een schone brandstof, in ons flitsproces”, zei Rice-afgestudeerde en hoofdauteur Wala Algozeeb.

Tour schatte dat het ACDC-proces op industriële schaal grafeen zou kunnen produceren voor ongeveer $ 125 aan elektriciteitskosten per ton plastic afval.

“We lieten in het originele papier zien dat plastic kon worden omgezet, maar de kwaliteit van het grafeen was niet zo goed als we wilden”, zei Tour. “Nu, door een andere reeks elektrische pulsen te gebruiken, kunnen we een groot verschil zien.”

Hij merkte op dat de meeste technologieën voor het recyclen van plastic in de wereld niet effectief zijn, en dat slechts ongeveer 9% van het geproduceerde plastic wordt gerecycled. Het meest beruchte, zei Tour, is een eiland van plastic afval ter grootte van Texas dat zich heeft gevormd in de Stille Oceaan.

“We moeten hiermee afrekenen”, zei hij. “En er is nog een ander probleem: microben in de oceaan die kooldioxide in zuurstof omzetten, worden gehinderd door afbraakproducten van plastic en ze keren het proces om, nemen zuurstof op en zetten het om in kooldioxide. Dat wordt heel slecht voor mensen.”

Door de Tour genoteerde flash-joule-conversie elimineert veel van de kosten die gepaard gaan met het recyclen van plastic, inclusief sorteren en reinigen waarvoor energie en water nodig zijn. “In plaats van plastic te recyclen tot pellets die voor 2.000 dollar per ton worden verkocht, zou je kunnen upgraden naar grafeen, dat een veel hogere waarde heeft”, zei hij. “Er is zowel een economische als een ecologische stimulans.”

Ondanks de overweldigende hoeveelheid plastic grondstof, zal het hebben van te veel grafeen geen probleem zijn, zei Tour. “Wat je ook doet met koolstof, als je het eenmaal uit de grond hebt gehaald uit olie, gas of steenkool, komt het in de koolstofdioxidecyclus terecht”, zei hij. “Het leuke van grafeen is dat de biologische afbraak ervan onder veel omstandigheden erg langzaam is, dus in de meeste gevallen komt het honderden jaren niet opnieuw in de koolstofcyclus.”

Hij merkte op dat de onderzoekers werken aan het verfijnen van het flash-grafeenproces voor andere materialen, vooral voor voedselverspilling. “We werken aan het genereren van een goede pulssequentie om voedselafval om te zetten in grafeen van zeer hoge kwaliteit met zo min mogelijk uitstoot”, zei hij. “We gebruiken machine learning-programma’s om ons te helpen weten waar we heen moeten.”

De nieuwe studie volgt op een ander recent artikel dat flitsgrafeen kenmerkt dat is geproduceerd uit carbon black via gelijkstroom joule-verwarming. Dat artikel, ook in ACS Nano, combineerde microscopie en simulaties om twee verschillende morfologieën te laten zien: turbostratisch grafeen en gerimpelde grafeenvellen. De studie beschreef hoe en waarom de herschikte koolstofatomen de ene of de andere vorm zouden aannemen, en dat de verhouding kan worden gecontroleerd door de duur van de flits aan te passen.