Hoogleraar werktuigbouwkunde gebruikt steenkool om grafeen te maken

Sinds de eerste ontdekking in 2004 door twee professoren aan de Universiteit van Manchester heeft grafeen grote indruk gemaakt in de wetenschappelijke gemeenschap. De ontdekkers ervan wonnen in 2010 een Nobelprijs voor de ontwikkeling van het idee, waarna de race begon om manieren te vinden om het te produceren en toe te passen. Roop Mahajan, de Lewis A. Hester hoogleraar werktuigbouwkunde aan Virginia Tech, heeft een belangrijke stap voorwaarts bijgedragen in die race.

Grafeen beschikt over ongeëvenaarde eigenschappen: het is 200 keer sterker dan staal, maar toch lichter dan papier, en vertoont unieke mechanische eigenschappen. Op microschaal neemt het de vorm aan van zeshoekige koolstofroosters met een dikte van slechts één atoom.

Vanwege zijn unieke eigenschappen heeft grafeen meerdere toepassingen:

• Het is sterk genoeg om schadebestendigheid toe te voegen aan de carrosserieën van auto’s en vliegtuigen.
• Het elektrisch geleidende materiaal, geformuleerd als inkt, kan op papier of kleding worden gedrukt, waardoor de deur wordt geopend voor draagbare elektronica.
• Geïntegreerd in batterijen, verkort het de oplaadtijd en verhoogt het vermogen.
• De antimicrobiële eigenschappen ervan hebben een veelbelovende toekomst als antimicrobieel middel.
• Als er een membraan van wordt gemaakt, kan het worden gebruikt om water te filteren.

Het team van Mahajan heeft grafeen geïntegreerd in bestaande materialen en technologieën om hun kracht te vergroten zonder veel extra massa toe te voegen, en heeft een praktische aanpak ontwikkeld om de unieke eigenschappen van grafeen te benutten. De inspanning heeft geleid tot talloze innovatieve manieren om grafeen in alledaagse producten te verwerken, waardoor het materiaal tot zijn volle potentieel wordt benut.

Groener en kosteneffectiever worden

Omdat grafeen voornamelijk uit koolstof bestaat, moeten onderzoekers beginnen met een materiaal dat van nature veel koolstof bevat. Grafiet, het hoofdbestanddeel van potloodstift, is de gebruikelijke keuze omdat de samenstelling ervan bijna pure koolstof is.

Omdat grafeen een vel materiaal van één atoom dik is, vereist de productie ervan een aanzienlijke hoeveelheid verwerking. De meest populaire techniek is een aangepaste versie van een aanpak die bekend staat als Hummers methode en gebruikt zwavelzuur, kaliumpermanganaat, natriumnitraat en waterstofperoxide in verschillende stadia. Drie van deze vier chemicaliën worden als gevaarlijk beschouwd.

Maar de groep van Mahajan heeft een duurzamere methode bedacht om grafeen niet uit grafiet maar uit steenkool te halen, waardoor het aantal agressieve chemicaliën dramatisch is teruggebracht tot slechts één: salpeterzuur. Met minder gevaarlijke chemicaliën en minder afvalverwerking vermindert deze aanpak zowel de impact op het milieu als het risico voor onderzoekers.

Het vervangen van grafiet als primaire bron voor het materiaal van de toekomst brengt voordelen met zich mee. Het meeste grafiet is afkomstig uit China, waardoor de toeleveringsketen enigszins onzeker is. Bovendien is grafiet een cruciaal ingrediënt in batterijen, en de scherpe stijging van de mondiale vraag naar batterijen heeft een aanzienlijke hap uit dat aanbod genomen.

Hoewel steenkool een lager percentage koolstof bevat (60 tot 80% versus een samenstelling van bijna 100% in grafiet), belooft de minder gevaarlijke productiemethode van het team een ​​betere toekomst voor het milieu. Deze verschuiving zou ook deuren kunnen openen voor een steenkooleconomie die over de hele wereld snel afneemt, grotendeels als gevolg van de bijdrage ervan aan de opwarming van de aarde wanneer steenkool wordt verbrand.

Naast de milieuvoordelen zijn er ook economische bonussen. Het team van Mahajan produceert grafeen dat 10 tot 15 keer goedkoper is dan eerdere methoden, waardoor een goedkoper aanbod ontstaat dat nieuwe innovaties op de markt zou kunnen stimuleren en de commercialisering zou kunnen bevorderen.

“Het verlagen van de productiekosten van grafeen is cruciaal om de uitzonderlijke eigenschappen ervan volledig te benutten en de brede acceptatie ervan in diverse toepassingen te versnellen, wat mogelijk de ontwikkeling van nieuwe markten en industrieën kan katalyseren”, aldus Mahajan.

Slijpmachines, knikkers en zuur

In het unieke proces van Mahajan begint de reis om grafeen te synthetiseren met het nauwgezette proces van het vermalen van ruwe stukken steenkool tot een grof poeder. Het poeder wordt in een grote cilinder gedaan die witte knikkers van verschillende grootte bevat, en vervolgens gerold. De knikkers vermalen en verpletteren het stof, waardoor de omvang ervan verder wordt verkleind. Het kogelgemalen poeder wordt vervolgens chemisch ontdaan van onzuiverheden zoals metaalsulfieten en as.

De gemalen en gezuiverde steenkool wordt vervolgens in een bad met salpeterzuur geplaatst, dat steenkool omzet in grafeenoxide. Het zuur wordt afgevoerd en de niet-gereageerde koolstof verwijderd, wat resulteert in grafeenoxidepoeder, dat vervolgens door warmtebehandeling verder kan worden omgezet in grafeen. Dit is de stof die is gemengd met lijmen, silicium, glas en metaal om nieuwe soorten composietmaterialen te produceren voor uiteenlopende toepassingen.

Het team van Mahajan heeft superieure prestaties voor steenkool aangetoond ten opzichte van van grafiet afgeleid grafeen. Het baanbrekende werk heeft geresulteerd in een gestage stroom publicaties, waaronder één in het tijdschrift Koolstof.

Dit artikel beschrijft het nieuwe proces van het team en demonstreert de superioriteit van uit steenkool afkomstig grafeen bij de ontwikkeling van zeer gevoelige sensoren om enkelstrengige DNA-aptameren te scheiden en te detecteren. Deze sensoren worden veel gebruikt in de diagnostiek, therapie, voedselveiligheid en verschillende industrieën vanwege hun vermogen om zich met hoge affiniteit en specificiteit aan specifieke doelmoleculen te binden.

Het team in India

Om het begrip van zowel een nieuw materiaal als een nieuw proces te vergroten, is een uitgebreid team nodig, en Mahajan wist precies waar hij heen moest, dankzij zijn leidende rol in de wereldwijde onderzoeksvoetafdruk van Virginia Tech.

Mahajan is directeur strategisch onderzoek en innovatie voor VT India, waardoor hij een directe lijn heeft om innovatie te stimuleren. Dit team van wetenschappers, met het hoofdkantoor in Chennai, India, heeft een centrale rol gespeeld bij de uitbreiding van de grafeenonderneming.

Dat werk leverde een artikel op in ACS toegepaste nanomaterialen gericht op de rol van grafeenoxide als nanovulmiddel bij het verbeteren van de mechanische prestaties van glasvezelversterkte polymeren. En het team onderzoekt actief andere mogelijke toepassingen, waaronder

• Oplossingen voor wondgenezing
• Draagbare kalium-ion- en ureumsensoren
• Corrosieremming van gewapende staven in beton
• Technologieën voor groene waterstofproductie

Terwijl de ontplooiing van nieuwe technologieën een opwindende wetenschappelijke omgeving creëert, richt Mahajan zich op meer dan alleen innovatie. Het verminderen van de gevaren voor het milieu en het stimuleren van de productie van dit ‘wondermateriaal’ heeft een diepere implicatie: een betere levenskwaliteit voor iedereen. Slimmer energieverbruik, betrouwbaardere materialen en overvloedige mogelijkheden voor de gezondheidszorg dragen allemaal bij aan dat doel.

“Dit brede spectrum aan toepassingen illustreert het opmerkelijke potentieel van uit steenkool afkomstige grafeentechnologieën bij het hervormen van industrieën en het verbeteren van levens op wereldschaal”, aldus Mahajan.