Van diner tot duurzame elektronica, de verrassende veelzijdigheid van krabben

Terwijl de wereldwijde vraag naar elektronische apparaten blijft groeien, neemt ook de druk op de eindige hulpbronnen die bij de productie ervan worden gebruikt, zoals metalen en fossiele brandstoffen, toe. In een poging om hernieuwbare alternatieven te bieden, hebben onderzoekers van de Universiteit van Osaka een nanokoolstofmateriaal ontwikkeld voor elektronicatoepassingen, gemaakt van chitine dat is afgeleid van krabschalen. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in Journal of Materials Chemistry C​

Nanokoolstofmaterialen zijn veelbelovend voor gebruik in elektronische apparaten. Met name die met poreuze driedimensionale (3D) structuren bieden efficiënte netwerken voor het transport van zowel lading als elektrolyten en reactanten. De doorstroming door deze netwerken kan verder worden verbeterd door het toevoegen van imperfecties – ook wel defecten genoemd – in de vorm van verschillende atomen, zoals stikstof.

Pogingen om zowel synthetische polymeren als biomassa te gebruiken om 3D-poreuze nanokoolstof met defecten te bereiden, hebben geleid tot effectieve detectie, energieopslag en elektrokatalyse-materialen. Veel van deze zijn echter gemaakt van niet-hernieuwbare bronnen of vereisen meerdere stappen om het netwerk voor te bereiden en de defecten te introduceren.

De onderzoekers hebben daarom 3D poreuze defecte nanokoolstofmaterialen ontwikkeld door de eenvoudige pyrolyse – of thermische ontleding – van chitine nanovezelpapier. Chitine is een biopolymeer dat het belangrijkste bestanddeel is van schaaldieren. Omdat de structuur van chitine stikstofatomen bevat, fungeert het als zijn eigen bron van defecten en zijn er geen dopingstappen vereist.

“We waren in staat om verschillende eigenschappen van de uiteindelijke nanokoolstofmaterialen te controleren door het chitine-nanovezelpapier bij verschillende temperaturen te pyrolyseren”, zegt Luting Zhu, de eerste auteur van het onderzoek. “De poriestructuur, het specifieke oppervlak en de elektrische weerstand varieerden allemaal met de pyrolysetemperatuur, wat ons een bruikbare manier gaf om het materiaal af te stemmen op specifieke toepassingen.”

Het gepyrolyseerde chitine nanovezelpapier werd met succes gebruikt als fotosensoren en vertoonde een lagere weerstand bij blootstelling aan licht. Ze bleken ook effectieve supercondensatorelektroden te zijn (elektrische componenten die elektrische lading in een elektrisch veld kunnen opslaan), met een hogere specifieke capaciteit dan veel andere nanokoolstofmaterialen die tot nu toe zijn gerapporteerd, wat hun potentieel voor gebruik bij energieopslag aangeeft.

“Om laboratoriumbevindingen te vertalen naar producten die een aanzienlijke impact hebben in de echte wereld, is het belangrijk om processen te stroomlijnen. Daarom zijn we enthousiast over onze eenvoudige pyrolysebehandeling”, legt de corresponderende auteur Hirotaka Koga uit. “Bovendien toont ons succesvolle gebruik van een hernieuwbare hulpbron die algemeen wordt beschouwd als een afvalproduct de levensvatbaarheid van duurzame elektronica aan.”