Grafeenproductietechniek biedt een groen alternatief voor grafietwinning

Onderzoekers in Zweden melden een groen alternatief om de afhankelijkheid van mijnbouwgrafiet te verminderen, de ruwe bron achter het grafeen “wondermateriaal”. In het dagboek Kleinonderzoekers van KTH Royal Institute of Technology zeggen dat ze een reproduceerbare en schaalbare methode hebben ontwikkeld voor het produceren van grafeenoxide (Go) nanosheets van commerciële koolstofvezels, waardoor een doorbraak in duurzame nanomateriale synthese wordt gemarkeerd.

Het proces omvat het exfoliëren van koolstofvezels met salpeterzuur, dat hoge opbrengsten van één-atoomdikke platen van grafeenoxide biedt met kenmerken die vergelijkbaar zijn met commercieel afkomstig van gedolven grafiet.

Grafeenoxide is een wijd bestudeerd nanomateriaal dat kan worden gebruikt in autobatterijen wanneer de dunne lakens samenstappen en lagen vormen die vergelijkbaar zijn met grafiet. Het is ook nuttig in krachtige composieten, waterzuivering en elektronische apparaten. Synthese van gedolven grafiet vereist echter harde chemicaliën en resulteert vaak in materiaalconsistenties als gevolg van variaties in grafietzuiverheid.

Richard Olsson, hoogleraar polymere materialen aan KTH, zegt dat het proof of concept werd uitgevoerd met koolstofvezels afgeleid van polyacrylonitril (PAN), een algemeen beschikbaar polymeer dat oxidatie en grafitisatie op hoge temperatuur ondergaat. Hij zegt dat de methode kan worden gedupliceerd met andere ruwe bronnen, zoals ruwe bronnen zoals biomassa of bosindustrie.

Olsson wijst op de markt voor elektrische voertuigen als een markt die kan profiteren van de nieuwe technologie. “De kern van de functionaliteit van de grafietbatterij is te vinden in het gelaagde grafeen binnen, dat kan worden geoogst uit commerciële koolstofvezels met behulp van deze methode”, zegt hij.

“De toekomst van automatische productie zal voortbouwen op batterijgebaseerde stroom, en de vraag is waar het grafiet zal worden geproduceerd? Ze hebben alternatieven nodig.”

De methode bestaat uit het transformeren van de koolstofvezels met behulp van het proces van elektrochemische oxidatie in een bad van water en salpeterzuur.

Het bad werkt als een geleider en wanneer een elektrische stroom door koolstofvezel wordt verzonden, begint het materiaal elektronen te verliezen, wat het oppervlak op vrijwel dezelfde manier transformeert als oxidatie als roest op een auto. In dit geval zorgt de transformatie ervoor dat lagen grafeenoxide op nanoschaal afpellen van het oppervlak van de koolstofvezels.

De studie ontdekte een venster waarin slechts 5% salpeterzuur perfect was voor het maken van deze kleine nanosheets, variërend van 0,1 tot 1 micrometer groot, met een uniforme dikte van ongeveer 0,9 nanometer. Met name ontstond de Go -nanosheets die op deze manier zijn gesynthetiseerd, in cirkelvormige en elliptische vormen, in tegenstelling tot de polygonale vormen die typerend zijn voor GO -gesynthetiseerd door natuurlijk, gedolven grafiet.

In vergelijking met bestaande synthetische methoden levert de nieuwe aanpak een hoge opbrengst van 200 milligram GO per gram koolstofvezel. Deze efficiënte conversieratio maakt het levensvatbaar voor grootschalige productie, met een belangrijke uitdaging in nanomateriale synthese, zegt hij.

Om ervoor te zorgen dat de nanosheets aan de kwaliteitsnormen voldeden, hebben de onderzoekers de eigenschappen en structuur van het materiaal onderzocht en gemeten met een aantal geavanceerde technieken.

De studie onderzocht ook methoden om beschermende polymeercoatings uit commerciële koolstofvezels vóór oxidatie te verwijderen, gedurende twee uur op 580 ° C te verwarmen en gedurende drie seconden gedurende drie seconden tot 1.200 ° C te verwarmen-beide bewezen effectief. Het onderzoek toonde aan dat de aard van elektrische geleiding in de vezels een cruciale rol speelt in het elektrochemische peelingproces.

Olsson zegt dat de volgende stappen voor de onderzoekers omvatten het onderzoeken van biobased bronnen voor koolstofvezels, die dieper ingaan op hoe het proces werkt.