Ученые придумали удивительное применение отходам арахисовой скорлупы

Фото из открытых источников

В результате мирового производства арахиса ежегодно образуется более 10 миллионов тонн отходов в виде выброшенной скорлупы, но теперь ученые открыли метод превращения этой биомассы в углеродные материалы, подобные графену. Результаты нового исследования опубликованы в журнале Chemical Engineering Journal Advances.

Графен, созданный на основе углерода, часто называют «чудо-материалом»: он невероятно прочный, невероятно легкий и отлично проводит тепло и электричество. Он уже широко используется и обещает значительно улучшить бытовую электронику в будущем.

Однако его сложно производить в больших масштабах и дорого обходится, поэтому альтернативные методы производства графена могли бы значительно улучшить энергетические системы, хранение данных и другие современные технологии.

Новое исследование, проведенное группой ученых из Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) в Австралии, показывает, что обычная скорлупа арахиса потенциально может увеличить производство графена, причем более дешевым и экологичным способом, чем некоторые традиционные методы синтеза графена.

«Большая часть отходов от производства либо выбрасывается, либо перерабатывается в малоценные продукты, которые не позволяют в полной мере реализовать их потенциал», — говорит Гуан Йео из Университета Нового Южного Уэльса. «В этой работе мы показали, что из обычной арахисовой скорлупы можно получить высококачественный графен, используя гораздо меньше энергии, чем требуется в настоящее время, и, следовательно, с меньшими затратами. Кроме того, нам не нужно использовать никаких химикатов, что является дополнительным преимуществом для окружающей среды».

Ключевым элементом этого процесса является природный полимер лигнин, богатый углеродом и содержащийся в большинстве растений. Его присутствие в скорлупе арахиса было известно и раньше, но исследователям нужно было найти наилучший способ его переработки.

Перед применением процесса, известного как импульсный джоулев нагрев (FJH), команда протестировала несколько методов подготовки отходов раковин для извлечения лигнина. Этот метод использует «вспышку» электричества для нагрева материала до температуры, превышающей 3000 градусов Цельсия (5432 градуса Фаренгейта), всего за несколько миллисекунд. Этот мгновенный выброс тепла перестраивает атомы углерода в графитовые структуры, включая многослойный турбостратический графен.

Хотя FJH выполнила большую часть работы, решающее значение имел способ подготовки оболочек к FJH. Исследователи обнаружили, что наилучшим вариантом является поэтапная предварительная обработка, включающая косвенный джоулев нагрев при температуре около 500 °C в течение 5 минут, за которым следует короткий этап при более высокой температуре.

В результате были удалены примеси, а раковины превратились в уголь — еще один богатый углеродом материал, обладающий гораздо большей проводимостью, чем необработанные раковины.

«Этот процесс жизненно важен для удаления примесей и получения наилучшего материала, богатого углеродом, что помогает свести к минимуму дефекты в конечном графене и убедиться, что это действительно всего лишь один слой атомов», — говорит Йео. «Именно это вам и нужно, чтобы обеспечить наилучшие свойства с точки зрения электро- и теплопроводности».

Хотя технология получения графена из скорлупы арахиса уже применялась в экспериментах, данное исследование подчеркивает, как тщательный контроль исходного материала может значительно улучшить качество получаемого графена.

Однако это не означает, что процесс пока идеален. Полученный графеновый материал отличается высоким качеством, но обычно состоит из нескольких слоев графена, расположенных в турбостратической конфигурации, и, как отмечают исследователи, для масштабирования технологии до коммерческого использования может потребоваться от трех до четырех лет.

Работа по дальнейшему совершенствованию процесса, разработанного на основе этой лабораторной экспериментальной модели, будет продолжена. Тем временем исследователи хотят проверить, будет ли их специально разработанный метод подготовки и нагрева работать с другими видами биомассы.

«Мы также планируем провести эксперименты с другими материалами, такими как кофейная гуща, банановая кожура или что-либо еще, что может дать нам хороший уголь для последующего превращения в графен», — говорит Йео. «Учитывая доступность большого количества подобного органического материала, наша работа демонстрирует хороший баланс между энергоэффективностью, качеством получаемого графена и экономической целесообразностью всего процесса».