Ingeniører afslører hemmelighederne bag grøn grafen

Da Ange Nzihou, ekspert i at omdanne samfundets affald til værdifulde produkter, besøgte Princeton i 2022, medbragte han en teknik til at omdanne affaldsbiomasse til grafen, et materiale med mange anvendelsesmuligheder fra batterier til solceller. Han vidste, at hans tilgang med en ugiftig jernkatalysator gav fordele i forhold til eksisterende metoder, der var afhængige af farlige kemikalier, ædle metaller eller fossile brændstoffer.

Der var kun et problem:Nzihou vidste ikke lige, hvordan processen fungerede.

"I mit arbejde som kemiingeniør er jeg ofte interesseret i materialers endelige egenskaber, og hvordan de kan anvendes til den virkelige verden," sagde Nzihou, en fremtrædende professor i kemiteknik ved IMT Mines Albi—CNRS i Frankrig, som besøgte Princeton gennem Fulbright Visiting Scholar Program. "Men hvis du vil optimere egenskaberne af de materialer, du producerer, er du nødt til at forstå, hvad der sker på nano- og atomskalaen for at skabe transformationen."

Det var her, Claire White, lektor i civil- og miljøteknik og Andlinger Center for Energy and the Environment, kom ind for at hjælpe.

Som Nzihous fakultetsvært bidrog White med sin ekspertise i karakterisering af materialer i nano- og atomskala for at afdække den mekanisme, der gjorde det muligt for jern at hjælpe med at omdanne affaldsbiomasse til grafen.

Resultatet var ikke kun to artikler, den første publiceret i ChemSusChem og den anden i Anvendte nanomaterialer , der beskriver mekanismen og løftet om at bruge jern som katalysator til at omdanne affaldsbiomasse, såsom træflis og anden celluloserig biomasse, til kulstofmaterialer med værditilvækst. Det var også en startplads for fortsat samarbejde mellem de to grupper, en der kombinerede hver gruppes ekspertise for at tilføje nye dimensioner til deres forskningsprogrammer.

En opdagelse af proportioner i nanoskala

Grafen, et ark af rent kulstof kun et atom tykt, er almindeligvis fremstillet via kemisk dampaflejring, en proces, der ofte bruges i halvlederindustrien til at producere ensartede belægninger. Imidlertid sagde Nzihou, at kemisk dampaflejring ofte afhænger af farlige kemikalier og dyre teknologier. Ligeledes sagde han, at alternativer til grafenproduktion typisk anvender giftige eller omkostningsgivende materialer såvel som brugen af ​​oliebaserede kilder.

I søgen efter en miljøvenlig måde at fremstille grafen på, vendte Nzihou og White sig til underudnyttede kilder til biomasse som udgangsmateriale for processen. Desværre er det meste af den biomasse rig på cellulose, en rigelig polymer, der findes i planters cellevægge. Cellulose har vist sig vanskeligt at omdanne til højt ordnede kulstofmaterialer såsom grafen uden brug af giftige eller sjældne jordarters metalkatalysatorer på grund af strukturen og arrangementet af dets kemiske bindinger.

Men Nzihou fandt ud af, at en jernoxidkatalysator kunne gøre tricket. Ved at indsætte jernet i biomassen og opvarme det i et iltbegrænset miljø gennem en proces kendt som karbonisering, demonstrerede Nzihou, at det var muligt at omdanne celluloserig biomasse til et endeligt materiale med omfattende områder af ordnede grafenplader.

"Ange havde vist, at det var muligt at bruge jern som katalysator," sagde White. "Men det virkelige spørgsmål var at forsøge at forstå, hvordan jern leverede denne katalytiske adfærd."

White henvendte sig til sin ekspertise inden for karakterisering af atom- og nanoskala for at få svaret. Ved hjælp af teknikker som total røntgenspredning, Raman-spektroskopi, transmissionselektronmikroskopi og magnetiske målinger fandt forskerne ud af, at jernoxidkatalysatoren i løbet af opvarmningsprocessen først brød sammen og dannede nanopartikler i biomassen. Da den celluloserige biomasse begyndte at opløses ved højere temperaturer, udfældede den som lag af grafenplader på overfladen af ​​jernpartiklerne.

"Vi var faktisk i stand til at observere denne ordnede skal af kulstofatomer, der blev dannet omkring disse jernnanopartikler under processen," sagde White.

Interessant nok fandt Nzihou og White ud af, at nogle få større jernnanopartikler understøttede mere omfattende områder med grafendannelse end mange mindre, et nyttigt fingerpeg, der kunne informere fremtidige bestræbelser på at opskalere processen med at omdanne affaldsbiomasse til grafen. Forskerne fortsætter også med at forfine processen for at øge størrelsen af ​​de rene grafenområder og samtidig reducere antallet af defekter i det endelige materiale.

"Nu, hvor vi har en forståelse af mekanismen, kan vi finde ud af, hvordan vi kan forbedre processen og optimere egenskaberne af grafenpladerne sammenlignet med den konventionelle kemiske dampaflejringsmetode, og endda overveje måder at skalere den på i den nærmeste fremtid." sagde Nzihou. "Fordi i sidste ende handler vores arbejde om at udvikle miljøvenlige avancerede kulstofmaterialer, samtidig med at vi lukker kulstofkredsløbet og mindsker kuldioxidemissioner."

Et startpunkt for frugtbare samarbejder

Forskerne sagde, at projektet gav dem mulighed for at udnytte hinandens ekspertise til at fremme feltet for bæredygtig kulstofudnyttelse, og det indledende partnerskab har siden faldet sammen i flere igangværende forskningsprojekter.

"Det har været et spændende samarbejde," sagde White. "Jeg ville aldrig have set mig selv arbejde på disse bæredygtige kulstofmaterialer, men disse projekter med Ange har givet en fremragende mulighed for at udvide mit arbejde og tilføje nye dimensioner til min forskning."

For Nzihou viste hans tid som besøgende Fulbright Scholar sig kun at være en forsmag på, hvad der skal komme. Han vender tilbage til Andlinger Centret i marts 2024 som Gerhard R. Andlinger Visiting Fellow for at fortsætte med at udforske måder at omdanne underudnyttede kilder til biomasse til avancerede kulstofmaterialer med specifikke egenskaber til anvendelser lige fra landbrug til energilagring og CO₂ sekvestrering.

Sammen med White planlægger han at udvide omfanget af sit arbejde ved at forene ekspertisen fra andre Princeton-fakultetsmedlemmer som Craig Arnold, Michele Sarazen og Rodney Priestley for at udvikle en strategi for bæredygtig kulstofudnyttelse. Han sigter også på at samarbejde med Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) for at udforske brugen af ​​plasmaer til at drive forskellige produktionsprocesser.

Det første papir, "Synthesis and Growth of Green Graphene from Biochar Revealed by Magnetic Properties of Iron Catalyst," blev offentliggjort november 2022 i ChemSusChem . Det andet papir, "Iron Nanoparticles to Catalyze Graphitization of Cellulose for Energy Storage Applications," blev offentliggjort februar 2023 i Applied Nano Materials .

Flere oplysninger: Amel C. Ghogia et al., Synthesis and Growth of Green Graphene from Biochar Revealed by Magnetic Properties of Iron Catalyst, ChemSusChem (2022). DOI:10.1002/cssc.202201864

Lina M. Romero Millán et al., Jernnanopartikler til at katalysere grafitisering af cellulose til energilagringsapplikationer, ACS Applied Nano Materials (2023). DOI:10.1021/acsanm.2c05312

Leveret af Princeton University