Ingenieurs onthullen de geheimen achter groen grafeen

Toen Ange Nzihou, een expert in het omzetten van maatschappelijk afval in waardevolle producten, Princeton in 2022 bezocht, bracht hij een techniek mee om afvalbiomassa om te zetten in grafeen, een materiaal met veel toepassingen, van batterijen tot zonnecellen. Hij wist dat zijn aanpak met behulp van een niet-toxische ijzerkatalysator voordelen bood ten opzichte van bestaande methoden die afhankelijk zijn van gevaarlijke chemicaliën, edele metalen of fossiele brandstoffen.

Er was alleen één probleem: Nzihou wist niet precies hoe het proces werkte.

“In mijn werk als chemisch ingenieur ben ik vaak geïnteresseerd in de uiteindelijke eigenschappen van materialen en hoe ze kunnen worden toegepast op de echte wereld”, zegt Nzihou, een vooraanstaande professor in chemische technologie aan IMT Mines Albi-CNRS in Frankrijk, die bezocht Princeton via het Fulbright Visiting Scholar Program. “Maar als je de eigenschappen van de materialen die je produceert wilt optimaliseren, moet je begrijpen wat er op nano- en atomaire schaal gebeurt om de transformatie tot stand te brengen.”

Dat is waar Claire White, universitair hoofddocent civiele techniek en milieutechniek en het Andlinger Center for Energy and the Environment, kwam helpen.

Als gastheer van de faculteit van Nzihou droeg White haar expertise bij in de karakterisering van materialen op nano- en atomaire schaal om het mechanisme bloot te leggen dat ijzer in staat stelde afvalbiomassa om te zetten in grafeen.

Het resultaat was niet alleen twee papers, de eerste gepubliceerd in ChemSusChem en de ander erin Toegepaste nanomaterialen, die het mechanisme en de belofte beschrijven van het gebruik van ijzer als katalysator om afvalbiomassa, zoals houtspaanders en andere celluloserijke biomassa, om te zetten in koolstofmaterialen met toegevoegde waarde. Het was ook een startpunt voor verdere samenwerking tussen de twee groepen, een die de expertise van elke groep combineerde om nieuwe dimensies toe te voegen aan hun onderzoeksprogramma’s.

Een ontdekking op nanoschaal

Grafeen, een laag pure koolstof van slechts één atoom dik, wordt meestal gemaakt via chemische dampafzetting, een proces dat vaak wordt gebruikt in de halfgeleiderindustrie om uniforme coatings te produceren. Nzihou zei echter dat chemische dampafzetting vaak afhangt van gevaarlijke chemicaliën en dure technologieën. Evenzo zei hij dat alternatieven voor de productie van grafeen doorgaans giftige of kostenbeperkende materialen gebruiken, evenals het gebruik van op aardolie gebaseerde bronnen.

Op zoek naar een milieuvriendelijke manier om grafeen te produceren, wendden Nzihou en White zich tot onderbenutte bronnen van biomassa als uitgangsmateriaal voor het proces. Helaas is het grootste deel van die biomassa rijk aan cellulose, een overvloedig aanwezig polymeer in de celwanden van planten. Cellulose is moeilijk om te zetten in zeer geordende koolstofmaterialen zoals grafeen zonder het gebruik van giftige of zeldzame aardmetaalkatalysatoren vanwege de structuur en rangschikking van de chemische bindingen.

Maar Nzihou ontdekte dat een ijzeroxidekatalysator de slag kon slaan. Door het ijzer in de biomassa te steken en het te verwarmen in een zuurstofarme omgeving via een proces dat bekend staat als carbonisatie, toonde Nzihou aan dat het mogelijk was om celluloserijke biomassa om te zetten in een eindmateriaal met uitgestrekte gebieden van geordende grafeenvellen.

“Ange had laten zien dat het mogelijk was om ijzer als katalysator te gebruiken,” zei White. “Maar de echte vraag was om te proberen te begrijpen hoe ijzer dit katalytische gedrag veroorzaakte.”

White wendde zich tot haar expertise in karakterisering op atomaire en nanoschaal voor het antwoord. Met behulp van technieken zoals totale verstrooiing door röntgenstraling, Raman-spectroscopie, transmissie-elektronenmicroscopie en magnetische metingen, ontdekten de onderzoekers dat in de loop van het verwarmingsproces de ijzeroxidekatalysator eerst uiteenviel en nanodeeltjes in de biomassa vormde. Toen de celluloserijke biomassa bij hogere temperaturen begon op te lossen, sloeg het neer als lagen grafeenvellen op het oppervlak van de ijzerdeeltjes.

“We waren eigenlijk in staat om deze geordende schil van koolstofatomen te observeren die zich tijdens het proces rond die ijzeren nanodeeltjes vormden”, zei White.

Interessant is dat Nzihou en White ontdekten dat een paar grotere ijzeren nanodeeltjes uitgebreidere regio’s van grafeenvorming ondersteunden dan veel kleinere, een nuttige aanwijzing die toekomstige inspanningen zou kunnen opleveren om het proces van het omzetten van afvalbiomassa in grafeen op te schalen. De onderzoekers gaan ook door met het verfijnen van het proces om de grootte van de pure grafeengebieden te vergroten en tegelijkertijd het aantal defecten in het uiteindelijke materiaal te verminderen.

“Nu we het mechanisme begrijpen, kunnen we uitzoeken hoe we het proces kunnen verbeteren en de eigenschappen van de grafeenvellen kunnen optimaliseren in vergelijking met de conventionele chemische dampafzettingsmethode, en zelfs manieren kunnen overwegen om het in de nabije toekomst op te schalen.” zei Nzihou. “Omdat ons werk uiteindelijk draait om het ontwikkelen van milieuvriendelijke geavanceerde koolstofmaterialen, terwijl we de koolstofkringloop sluiten en de uitstoot van kooldioxide verminderen.”

Een startpunt voor vruchtbare samenwerkingen

De onderzoekers zeiden dat het project hen in staat stelde gebruik te maken van elkaars expertise om het gebied van duurzaam koolstofgebruik vooruit te helpen, en het aanvankelijke partnerschap is sindsdien verweven in meerdere lopende onderzoeksprojecten.

“Het is een opwindende samenwerking geweest”, zei White. “Ik had mezelf nooit aan deze duurzame koolstofmaterialen zien werken, maar deze projecten met Ange bieden een uitgelezen kans om mijn werk uit te breiden en nieuwe dimensies aan mijn onderzoek toe te voegen.”

Voor Nzihou bleek zijn tijd als een bezoekende Fulbright Scholar slechts een voorproefje van wat komen gaat. Hij zal in maart 2024 terugkeren naar het Andlinger Center als Gerhard R. Andlinger Visiting Fellow om door te gaan met het onderzoeken van manieren om onderbenutte bronnen van biomassa om te zetten in geavanceerde koolstofmaterialen met specifieke eigenschappen voor toepassingen variërend van landbouw tot energieopslag en CO₂ sekwestratie.

Met White is hij van plan de reikwijdte van zijn werk te verbreden door de expertise van andere Princeton-faculteitsleden, zoals Craig Arnold, Michele Sarazen en Rodney Priestley, te verenigen om een ​​strategie voor duurzaam koolstofgebruik te ontwikkelen. Hij wil ook samenwerken met het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) om het gebruik van plasma’s voor het aandrijven van verschillende productieprocessen te onderzoeken.

Het eerste artikel, “Synthesis and Growth of Green Graphene from Biochar Revealed by Magnetic Properties of Iron Catalyst”, werd in november 2022 gepubliceerd in ChemSusChem. Het tweede artikel, “Iron Nanoparticles to Catalyze Graphitization of Cellulose for Energy Storage Applications”, werd in februari 2023 gepubliceerd in Toegepaste nanomaterialen.