Onderzoekers zetten steenkoolpoeder in een magnetron om in grafiet

Met behulp van koperfolie, glazen containers en een conventionele magnetron voor huishoudelijk gebruik, hebben onderzoekers van de Universiteit van Wyoming aangetoond dat poederkoolpoeder kan worden omgezet in hoogwaardiger nano-grafiet.

De ontdekking is een nieuwe stap voorwaarts in de poging om alternatieve toepassingen te vinden voor Wyoming’s Powder River Basin-steenkool, in een tijd waarin de vraag naar steenkool om elektriciteit op te wekken afneemt vanwege zorgen over klimaatverandering.

In een paper gepubliceerd in het tijdschrift Nanostructuren en nano-objectenrapporteren de UW-onderzoekers dat ze een omgeving in een magnetron hebben gecreëerd om met succes ruw steenkoolpoeder om te zetten in nanografiet, dat wordt gebruikt als smeermiddel en in items variërend van brandblussers tot lithiumionbatterijen. Deze “eenstaps-methode met metaalondersteunde microgolfbehandeling” is een nieuwe benadering die een eenvoudige en relatief goedkope technologie voor de omzetting van steenkool zou kunnen vertegenwoordigen.

“Deze methode biedt een nieuwe manier om overvloedige koolstofbronnen om te zetten in hoogwaardige materialen met ecologische en economische voordelen”, schreef het onderzoeksteam onder leiding van universitair hoofddocent TeYu Chien van UW’s Department of Physics and Astronomy.

Anderen die bij het project betrokken waren, waren professor Jinke Tang van de afdeling Fysica en Sterrenkunde; Universitair hoofddocent Brian Leonard, bij de afdeling scheikunde; Professor Maohong Fan, bij de afdeling Petroleum Engineering en de School of Energy Resources; afgestudeerde studenten Rabindra Dulal, Nepal, Joann Hilman, Laramie, Wyo., Chris Masi, Syracuse, NY, en Teneil Schumacher, Buffalo, Wyo .; en postdoctorale onderzoekers Gaurab Rimal uit Nepal en Bang Xu uit China.

Hoewel eerder onderzoek heeft aangetoond dat microgolven kunnen worden gebruikt om het vochtgehalte van steenkool te verlagen en zwavel en andere mineralen te verwijderen, vereisen de meeste van dergelijke methoden een specifieke chemische voorbehandeling van de steenkool. In hun experiment vermalen de UW-onderzoekers ruwe Powder River Basin-steenkool tot poeder.

Dat poeder werd vervolgens op koperfolie geplaatst en in glazen containers verzegeld met een gasmengsel van argon en waterstof, voordat het in een magnetron werd geplaatst. Er werd gekozen voor een conventionele magnetron vanwege het gemak en omdat deze de gewenste stralingsniveaus opleverde.

“Door de koperfolie in de vorm van een vork te snijden, werden de vonken opgewekt door de microgolfstraling, waardoor binnen een paar seconden een extreem hoge temperatuur van meer dan 1800 graden Fahrenheit werd gegenereerd”, zegt Masi, hoofdauteur van het artikel. ‘Dit is waarom je geen metalen vork in een magnetron moet plaatsen.’

De vonken die door de microgolven werden veroorzaakt, veroorzaakten de hoge temperaturen die nodig zijn om het steenkoolpoeder om te zetten in polykristallijn grafiet, waarbij de koperfolie en waterstofgas ook aan het proces bijdroegen.

Terwijl het experiment microgolven omvatte variërend van 3 tot 45 minuten, bleek de optimale duur 15 minuten te zijn.

De onderzoekers zeggen dat deze nieuwe methode van steenkoolconversie kan worden verfijnd en op grotere schaal kan worden uitgevoerd om zowel een hogere kwaliteit als kwantiteit van nanografietmaterialen te verkrijgen.

“Eindige grafietreserves en milieuproblemen voor de grafietextractieprocedures maken deze methode voor het omzetten van steenkool in grafiet tot een geweldige alternatieve bron voor grafietproductie”, schreven de wetenschappers.