Grafen og andre kulstofnanomaterialer kan erstatte knappe metaller

Knappe metaller findes i en lang række hverdagsgenstande omkring os. De er komplicerede at udvinde, svære at genbruge og så sjældne, at flere af dem er blevet til "konfliktmineraler", som kan fremme konflikter og undertrykkelse. En undersøgelse ved Chalmers University of Technology viser nu, at der er potentielle teknologibaserede løsninger, der kan erstatte mange af metallerne med carbon nanomaterialer, såsom grafen.

De kan findes i din computer, i din mobiltelefon, i næsten alt andet elektronisk udstyr og i mange af plastikken omkring dig. Samfundet er stærkt afhængigt af knappe metaller, og denne afhængighed har mange ulemper.

Knappe metaller som tin, sølv, wolfram og indium er både sjældne og vanskelige at udvinde, da de brugbare koncentrationer er meget små. Dette sikrer, at metallerne er meget eftertragtede - og deres ekstraktion er grobund for konflikter, såsom i Den Demokratiske Republik Congo, hvor de finansierer væbnede konflikter.

Ud over, de er svære at genbruge rentabelt, da de ofte er til stede i små mængder i forskellige komponenter såsom elektronik.

Rickard Arvidsson og Björn Sandén, forskere i miljøsystemanalyse ved Chalmers Tekniske Universitet, har nu undersøgt en alternativ løsning:at erstatte kulstofnanomaterialer med de knappe metaller. Disse stoffer - hvoraf den bedst kendte er grafen - er stærke materialer med god ledningsevne, som sparsomme metaller.

"Nu har teknologiudviklingen givet os mulighed for i højere grad at bruge det fælles grundstof kulstof, ", siger Sandén. "I dag er der mange nye kulstof-nanomaterialer med lignende egenskaber som metaller. Det er et velkomment nyt spor, og det er vigtigt at investere i både genanvendelse og substitution af knappe metaller fra nu af."

Chalmers-forskerne har undersøgt de vigtigste anvendelser af 14 forskellige metaller, og ved at gennemgå patenter og videnskabelig litteratur har man undersøgt potentialet for at erstatte dem med kulstof nanomaterialer. Resultaterne giver et unikt overblik over forskning og teknologiudvikling på området.

Ifølge Arvidsson og Sandén viser resuméet, at der allerede er sket et skifte fra brugen af ​​knappe metaller til carbon nanomaterialer.

"Der er potentielle teknologibaserede løsninger til at erstatte 13 ud af de 14 metaller med kulstof nanomaterialer i deres mest almindelige anvendelser. Teknologiudviklingen er på forskellige stadier for forskellige metaller og anvendelser, men i nogle tilfælde såsom indium og gallium, resultaterne er meget lovende, siger Arvidsson.

"Dette giver håb, " siger Sandén. "I debatten om ressourcebegrænsninger, cirkulær økonomi og samfundets håndtering af materialer, fokus har længe været på genbrug og genbrug. Substitution er et potentielt alternativ, som ikke er blevet undersøgt i samme omfang, og efterhånden som ressourcespørgsmålene bliver mere presserende, vi har nu flere værktøjer at arbejde med."

Forskningsresultaterne blev for nylig offentliggjort i Journal of Cleaner Production . Arvidsson og Sandén understreger, at der er betydelige potentielle fordele ved at reducere brugen af ​​knappe metaller, og de håber at kunne styrke argumentet for mere forskning og udvikling på området.

"Forestil dig at kunne erstatte knappe metaller med kulstof, Sandén siger. "At udvinde kulstof fra biomasse ville skabe et naturligt kredsløb."

"Da kulstof er et så almindeligt og let tilgængeligt materiale, det ville også være muligt at reducere konflikter og geopolitiske problemer forbundet med disse metaller, siger Arvidsson.

Samtidig påpeger de, at der er behov for mere forskning på området for at håndtere eventuelle nye problemer, der måtte opstå, hvis de knappe metaller udskiftes.

"Carbon nanomaterialer er kun en relativt ny opdagelse, og indtil videre er viden begrænset om deres miljøpåvirkning fra et livscyklusperspektiv. Men generelt ser der ud til at være et potentiale for en lav miljøpåvirkning, "Siger Arvidsson.

Fakta:

Kulstofnanomaterialer består udelukkende eller hovedsagelig af kulstof, og er stærke materialer med god ledningsevne. Flere knappe metaller har lignende egenskaber. Metallerne findes, for eksempel, i kabler, tynde skærme, flammehæmmere, korrosionsbeskyttelse og kondensatorer.

Rickard Arvidsson og Björn Sandén ved Chalmers Teknologiske Universitet har undersøgt, om kulstofnanomaterialerne grafen, fullerener og kulstofnanorør har potentialet til at erstatte 14 knappe metaller i deres hovedanvendelsesområder (se tabel i vedhæftede billede). De fandt potentielle teknologibaserede løsninger til at erstatte metallerne med kulstof nanomaterialer til alle anvendelser undtagen guld i smykker. De metaller, som vi er tættest på at kunne erstatte, er indium, gallium, beryllium og sølv.