Professor i maskinteknik bruger kul til at skabe grafen

Siden den første opdagelse i 2004 af to professorer ved University of Manchester, har grafen gjort et stort sprøjt i det videnskabelige samfund. Dens opdagere vandt en Nobelpris i 2010 for at udvikle ideen - så var kapløbet i gang for at finde måder at producere og anvende den på. Roop Mahajan, Lewis A. Hester-professor i maskinteknik ved Virginia Tech, har bidraget med et væsentligt skridt fremad i det løb.

Grafen har uovertrufne egenskaber - det er 200 gange stærkere end stål, men alligevel lettere end papir og udviser unikke mekaniske egenskaber. På mikroskala tager det form af sekskantformede gitter af kulstof med en tykkelse på kun et atom.

På grund af dets unikke egenskaber har grafen flere anvendelsesmuligheder:

• Den er stærk nok til at tilføje skadesmodstand til karosserierne af biler og fly.
• Formuleret som blæk, kan det elektrisk befordrende materiale printes på papir eller tøj, hvilket åbner døren til bærbar elektronik.
• Integreret i batterier reducerer det opladningstiden og øger effekten.
• Dens antimikrobielle egenskaber har en lovende fremtid som et antimikrobielt middel.
• Den er lavet til en membran, og den kan bruges til at filtrere vand.

Mahajans team har integreret grafen i eksisterende materialer og teknologier for at styrke deres styrke uden at tilføje en masse ekstra masse, og opbygget en praktisk tilgang til at udnytte grafens unikke egenskaber. Indsatsen har produceret utallige innovative måder at inkorporere grafen i hverdagsprodukter, hvilket presser materialet til dets fulde potentiale.

Bliv grønnere og mere omkostningseffektiv

Fordi grafen primært består af kulstof, skal forskerne starte med et materiale med naturligt højt kulstofindhold. Grafit, den primære komponent i blyantbly, er det sædvanlige valg, fordi dets sammensætning er næsten rent kulstof.

Fordi grafen er et et-atom-tykt ark materiale, kræver det en betydelig mængde forarbejdning at producere det. Den mest populære teknik er en modificeret version af en fremgangsmåde kendt som Hummers metode og bruger svovlsyre, kaliumpermanganat, natriumnitrat og hydrogenperoxid på forskellige stadier. Tre af disse fire kemikalier anses for at være farlige.

Men Mahajans gruppe har gentænkt en mere bæredygtig metode til at hente grafen, ikke fra grafit, men fra kul, hvilket dramatisk reducerer antallet af barske kemikalier til kun én:salpetersyre. Med færre farlige kemikalier og mindre bortskaffelse at håndtere, reducerer denne tilgang både miljøpåvirkningen og risikoen for forskere.

At erstatte grafit som den primære kilde til fremtidens materiale kommer med fordele. Det meste grafit kommer fra Kina, hvilket gør dens forsyningskæde noget usikker. Derudover er grafit en kritisk ingrediens i batterier, og den kraftige stigning i den globale efterspørgsel efter batterier har taget en betydelig bid ud af dette udbud.

Selvom kul indeholder en lavere procentdel kulstof – 60 til 80 % i forhold til en sammensætning på næsten 100 % i grafit – lover holdets mindre farlige produktionsmetode en bedre fremtid for miljøet. Dette skift kunne også åbne døre for en kuløkonomi, der hurtigt formindskes over hele kloden, i høj grad på grund af dets bidrag til den globale opvarmning, når kul afbrændes.

Ud over de miljømæssige fordele er der økonomiske bonusser. Mahajans team producerer grafen, der er 10 til 15 gange billigere end tidligere metoder, hvilket skaber en billigere forsyning, der kan anspore til nye innovationer på markedet og hjælpe med kommercialisering.

"At sænke produktionsomkostningerne for grafen er afgørende for fuldt ud at udnytte dets exceptionelle egenskaber og fremskynde dets brede anvendelse på tværs af forskellige applikationer, hvilket potentielt kan katalysere udviklingen af ​​nye markeder og industrier," sagde Mahajan.

Klibere, kugler og syre

I Mahajans unikke proces begynder rejsen for at syntetisere grafen med den omhyggelige proces med at male rå bidder af kul ned for at skabe et groft pulver. Pulveret sættes i en stor cylinder, der indeholder hvide kugler i forskellige størrelser, og rulles derefter. Kuglerne maler og knuser støvet og reducerer dets størrelse yderligere. Det kugleformede pulver bliver derefter kemisk strippet for urenheder såsom metalsulfitter og aske.

Det formalede og rensede kul placeres derefter i et bad af salpetersyre, som omdanner kul til grafenoxid. Syren drænes af, og det uomsatte kulstof fjernes, hvilket resulterer i grafenoxidpulver, som derefter kan omdannes yderligere til grafen ved varmebehandling. Dette er stoffet, der er blevet blandet med klæbemidler, silicium, glas og metal for at producere nye slags kompositmaterialer til en række forskellige anvendelser.

Mahajans team har demonstreret overlegen ydeevne for kul mod grafitafledt grafen. Det banebrydende arbejde har resulteret i en lind strøm af publikationer, herunder en i tidsskriftet Carbon .

Dette papir beskrev holdets nye proces og demonstrerede overlegenheden af ​​kul-afledt grafen i udviklingen af ​​meget følsomme sensorer til at adskille og detektere enkeltstrengede DNA-aptamerer. Disse sensorer er meget udbredt i diagnostik, terapi, fødevaresikkerhed og forskellige industrier på grund af deres evne til at binde sig til specifikke målmolekyler med høj affinitet og specificitet.

Teamet i Indien

At udvide forståelsen af ​​både et nyt materiale og en ny proces kræver et udvidet team, og Mahajan vidste præcis, hvor han skulle henvende sig, takket være sin lederrolle i Virginia Techs globale forskningsfodaftryk.

Mahajan er direktør for strategisk forskning og innovation for VT India, hvilket giver ham en direkte linje for at skubbe innovation. Dette hold af videnskabsmænd, med hovedkvarter i Chennai, Indien, har været centralt for udvidelsen af ​​grafenvirksomheden.

Dette arbejde producerede en artikel i ACS Applied Nanomaterials med fokus på grafenoxids rolle som nanofiller i at forbedre den mekaniske ydeevne af glasfiberforstærkede polymerer. Og teamet udforsker aktivt andre potentielle applikationer, herunder

• Sårhelende løsninger
• Bærbare kalium-ion- og urinstofsensorer
• Korrosionshæmning af armerede stænger i beton
• Teknologier til grøn brintproduktion

Mens udfoldelse af nye teknologier skaber et spændende videnskabeligt miljø, er Mahajan fokuseret på mere end blot innovation. At reducere miljørisici og øge produktionen af ​​"vidundermaterialet" har en dybere implikation:bedre livskvalitet for alle. Smartere energiforbrug, mere pålidelige materialer og rigelige muligheder for sundhedspleje er alt sammen med til dette formål.

"Dette brede spektrum af applikationer eksemplificerer det bemærkelsesværdige potentiale af kul-afledte grafenteknologier til at omforme industrier og forbedre liv på globalt plan," sagde Mahajan.

Flere oplysninger: Anushka Garg et al., Simplified One-Pot-syntese af grafenoxid fra forskellige kul og dets potentielle anvendelse til at forbedre den mekaniske ydeevne af GFRP-nanokompositter, ACS-anvendte nanomaterialer (2023). DOI:10.1021/acsanm.3c03197

Leveret af Virginia Tech