Lab forvandler skraldespand hurtigt til værdifuld grafen

Den bananskræl, forvandlet til grafen, kan hjælpe med at lette en massiv reduktion af miljøbelastningen af ​​beton og andre byggematerialer. Mens du er ved det, smid de plastik tømmer i.

En ny proces, der blev introduceret af kemiker James Tours laboratorium på Rice University, kan omdanne bulkmængder på næsten enhver kulstofkilde til værdifulde grafenflager. Processen er hurtig og billig; Tour sagde, at "flash graphene" teknikken kan konvertere et ton kul, madaffald eller plastik til grafen for en brøkdel af de omkostninger, der bruges af andre bulk grafen-fremstillingsmetoder.

"Dette er en stor sag, Tour sagde. "Verden smider 30% til 40% af al mad ud, fordi det går dårligt, og plastaffald er af global bekymring. Vi har allerede bevist, at ethvert fast kulstofbaseret stof, inklusive blandet plastaffald og gummidæk, kan omdannes til grafen."

Som rapporteret i Natur , flashgrafen fremstilles på 10 millisekunder ved at opvarme kulstofholdige materialer til 3, 000 Kelvin (ca. 5, 000 grader Fahrenheit). Kildematerialet kan være næsten alt med kulstofindhold. Madspild, plastik affald, petroleumskoks, kul, træafklip og biokul er de bedste kandidater, sagde Tour. "Med den nuværende kommercielle pris på grafen på $ 67, 000 til $200, 000 pr ton, udsigterne for denne proces ser fantastiske ud, " han sagde.

Tour sagde, at en koncentration på så lidt som 0,1% af flashgrafen i cementen, der bruges til at binde beton, kunne mindske dens massive miljøpåvirkning med en tredjedel. Produktion af cement udleder efter sigende så meget som 8% af menneskeskabt kuldioxid hvert år.

"Ved at styrke beton med grafen, vi kunne bruge mindre beton til at bygge, og det ville koste mindre at fremstille og mindre at transportere, " sagde han. "I bund og grund, vi fanger drivhusgasser som kuldioxid og metan, som madspild ville have udledt på lossepladser. Vi omdanner disse kulstoffer til grafen og tilføjer det grafen til beton, derved sænke mængden af ​​kuldioxid, der dannes ved betonfremstilling. Det er et win-win miljøscenarie ved hjælp af grafen."

"At gøre skrald til skat er nøglen til den cirkulære økonomi, " sagde medkorresponderende forfatter Rouzbeh Shahsavari, en adjungeret adjunkt i civil- og miljøteknik og i materialevidenskab og nanoteknik hos Rice og præsident for C-Crete Technologies. "Her, grafen fungerer både som en 2-D skabelon og et forstærkende middel, der kontrollerer cementhydrering og efterfølgende styrkeudvikling."

I fortiden, Tour sagde, "grafen har været for dyrt at bruge i disse applikationer. Flash-processen vil i høj grad sænke prisen, mens den hjælper os med bedre at håndtere affald."

"Med vores metode, at kulstof bliver fikseret, sagde han. Den kommer ikke i luften igen.

Processen stemmer fint overens med Rice's nyligt annoncerede Carbon Hub-initiativ for at skabe en nul-emissionsfremtid, der genbruger kulbrinter fra olie og gas til at generere brintgas og fast kulstof uden kuldioxidudledning. Flashgrafenprocessen kan omdanne det faste kulstof til grafen til beton, asfalt, bygninger, biler, tøj og mere, sagde Tour.

Flash Joule opvarmning til bulk grafen, udviklet i Tour lab af Rice kandidatstuderende og hovedforfatter Duy Luong, forbedrer teknikker som eksfoliering fra grafit og kemisk dampaflejring på en metalfolie, der kræver meget mere indsats og omkostninger for kun at producere lidt grafen.

Endnu bedre, processen producerer "turbostratisk" grafen, med forkert justerede lag, der er nemme at adskille. "A-B stablet grafen fra andre processer, som eksfoliering af grafit, er meget svært at skille ad, " sagde Tour. "Lagene klæber stærkt sammen.

Men turbostratisk grafen er meget lettere at arbejde med, fordi vedhæftningen mellem lag er meget lavere. De skilles bare fra hinanden i opløsning eller ved blanding i kompositter.

"Det er vigtigt, fordi vi nu kan få hvert af disse enkeltatomiske lag til at interagere med en værtskomposit, " han sagde.

Laboratoriet bemærkede, at brugt kaffegrums omdannet til uberørte enkeltlags ark af grafen.

Bulk kompositter af grafen med plast, metaller, krydsfiner, beton og andre byggematerialer ville være et stort marked for flashgrafen, ifølge forskerne, som allerede tester grafenforstærket beton og plast.

Flash-processen sker i en specialdesignet reaktor, der opvarmer materiale hurtigt og udsender alle ikke-kulstofelementer som gas. "Når denne proces er industrialiseret, elementer som oxygen og nitrogen, der forlader flashreaktoren, kan alle blive fanget som små molekyler, fordi de har værdi, " sagde Tour.

Han sagde, at flashprocessen producerer meget lidt overskudsvarme, kanaliserer næsten al sin energi ind i målet. "Du kan sætte fingeren lige på beholderen et par sekunder efter, " sagde Tour. "Og husk på, at dette er næsten tre gange varmere end de kemiske dampaflejringsovne, vi tidligere brugte til at lave grafen med, men i flashprocessen koncentreres varmen i kulstofmaterialet og ingen i en omgivende reaktor.

"Al den overskydende energi kommer ud som lys, i et meget stærkt glimt, og fordi der ikke er nogen opløsningsmidler, det er en super ren proces, " han sagde.

Luong forventede ikke at finde grafen, da han fyrede den første lille enhed op for at finde nye faser af materiale, begyndende med en prøve af kønrøg. "Dette startede, da jeg kiggede på et Science-papir, der talte om flash Joule-opvarmning for at lave faseskiftende nanopartikler af metaller, " sagde han. Men Luong indså hurtigt, at processen ikke producerede andet end grafen af ​​høj kvalitet.

Simuleringer på atomniveau af risforsker og medforfatter Ksenia Bets bekræftede, at temperaturen er nøglen til materialets hurtige dannelse. "Vi fremskynder i det væsentlige den langsomme geologiske proces, hvorved kulstof udvikler sig til sin grundtilstand, grafit, " sagde hun. "Stærkt accelereret af en varmespids, den stoppes også på det rigtige tidspunkt, på grafenstadiet.

"Det er forbløffende, hvordan state-of-the-art computersimuleringer, notorisk langsom til at observere sådan kinetik, afsløre detaljerne ved høj temperatur-modulerede atombevægelser og transformation, " sagde Bets.

Tour håber at producere et kilo (2,2 pund) om dagen med flashgrafen inden for to år, startende med et projekt, der for nylig blev finansieret af Department of Energy for at konvertere kul fra USA. "Dette kunne give en afsætningsmulighed for kul i stor skala ved at konvertere det billigt til et byggemateriale af meget højere værdi, " han sagde.