Elektrisk stød til petroleumskoks genererer bæredygtig grafen

Forskere ved Texas A&M University og ExxonMobil udvikler en metode til at oparbejde petroleumskoks - et biprodukt fra raffinering af råolie - til et bæredygtigt alternativ af høj værdi. Ved hjælp af en kemisk proces kaldet elektrokemisk eksfoliering har de omdannet petroleumskoks til grafen, et nanomateriale med anvendelser inden for elektronik, medicin og energilagring.

Denne undersøgelse blev offentliggjort i npj 2D Materials and Applications .

Råolie er en blanding af mange forskellige kulbrinter, hvor lette portioner går til naturgas, mens de tungeste dele danner tyktflydende eller endda faste materialer. Et af de mange produkter, der kommer fra raffinering af råolie, er fast petroleumskoks.

Selvom der er mange måder at udnytte petroleumskoks på, såsom elektroder til stål- og aluminiumproduktion, frigiver denne proces skadelige kulstofemissioner. Af denne grund leder industrien efter materialer med lav emission og høj værdi, der kan udvindes fra råolie.

En mulig løsning er at genbruge den kulstofrige petroleumskoks til at generere grafen, et alsidigt arklignende materiale sammensat af et enkelt lag af kulstofatomer. Konventionelt eksfolieres grafen fra grafit. Forskerne undersøgte, om nogen kemiske processer ville lette grafenproduktion fra materialer, der stammer fra fossilt brændstof.

"Vi ved, at petroleumskoks indeholder grafenlignende materialer," sagde Dr. Micah Green, professor i Artie McFerrin Department of Chemical Engineering ved Texas A&M. "Vores udfordring var at isolere grafen fra udgangsmaterialet."

For at udføre denne opgave vendte forskerne sig til elektrokemi. De anbragte koks i en elektrolytopløsning med en arbejdselektrode og en modelektrode. Når de påførte spænding til arbejdselektroden, migrerede de ioniske arter eller negative ioner fra elektrolytten ind mellem grafenpladerne i en proces, der kaldes interkalation.

"Tænk på koks som en bog og grafen som hvert enkelt ark papir," sagde Green. "Når bogen lægges fladt på rygraden, vifter siderne ud og har flere mellemrum mellem dem. Processen med elektrokemisk eksfoliering ligner."

Når koksen udvides, skiller grafenen sig. Negative ioner dannes og bevæger sig ind i mellemrummene mellem grafenpladerne, hvilket fuldender koksbiproduktet og grafenseparationen.

Mange grafenanvendelser kræver høj ledningsevne, men om grafen fra petroleumskoks kunne opnå en sådan ydeevne var ukendt. Grafenen, der blev skabt af koksen, havde en ledningsevne på 50 siemens pr. meter sammenlignet med et typisk lithium-ion-batteri, hvis elektriske ledningsevne er omkring 150-160 siemens pr. meter. Med en varmebehandling kaldet annealing kunne forskerne øge ledningsevnen endnu højere, hvilket gør den sammenlignelig med elektroder i lithium-ion-batterier.

Med disse resultater kunne grafenapplikationer, der har været under udvikling i årevis, blive til virkelighed.

"Fremtiden for opskalering af nanomaterialer er direkte knyttet til eksisterende strømme i den petrokemiske industri, og jeg forventer mange flere tilfælde, hvor olieafledte kemikalier omdannes til kulstofmaterialer af høj værdi som grafen," sagde Green. + Udforsk yderligere

Maskinlæring finjusterer flashgrafen