Ученые открыли удивительное практическое применение отходов скорлупы арахиса

В результате производства арахиса во всем мире ежегодно накапливается более 10 миллионов тонн отходов в виде выброшенной скорлупы, но теперь ученые открыли метод превращения этой биомассы в графеноподобные углеродные материалы.

Графен основан на углероде, и его часто называют «чудо-материалом»: он сверхпрочный, сверхлегкий и отличный проводник тепла и электричества. Он уже широко используется и обещает значительно улучшить бытовую электронику в будущем.

Однако его сложно производить в больших масштабах, и он дорог в изготовлении, поэтому альтернативные методы производства графена могут значительно улучшить энергетические системы, хранение данных и другие современные технологии.

Новое исследование, проведенное командой из Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) в Австралии, показывает, что скромная скорлупа арахиса может увеличить производство графена, причем таким образом, что это дешевле и экологичнее, чем некоторые традиционные подходы к синтезу графена.

» отходы скорлупы либо выбрасываются, либо перерабатываются в малоценные приложения, которые не полностью раскрывают свой потенциал», — говорит инженер-механик UNSW Гуан Йео.

«В этой работе мы показали, что обычную скорлупу арахиса можно превратить в высококачественный графен, используя гораздо меньше энергии, чем требуется в настоящее время, и, следовательно, с меньшими затратами. Нам также не нужно использовать какие-либо химикаты, что дает дополнительную экологическую выгоду».

Ключом к процессу является природный полимер. лигнин, который богат углеродом и содержится в большинстве растений. Уже было известно, что он присутствует в скорлупе арахиса, но исследователям нужно было найти лучший способ его обработки.

Команда протестировала несколько методов подготовки отходов скорлупы для высвобождения этого лигнина, а затем применила процесс, известный как мгновенное джоулевое нагревание (FJH). При этом используется «вспышка» электричества, которая нагревает материал до температуры, превышающей 3000 градусов по Цельсию (5432 градуса по Фаренгейту) всего за миллисекунды. Этот мгновенный взрыв тепла перестраивает атомы углерода в графитовые структуры, в том числе в многослойный турбостратный графен.

Хотя FJH взял на себя большую часть тяжелой работы, то, как были подготовлены оболочки для FJH, имело решающее значение. Лучшим вариантом, как обнаружили исследователи, была поэтапная предварительная обработка, включающая непрямой джоулевый нагрев при температуре около 500 °C в течение 5 минут с последующим коротким этапом повышения температуры.

Это позволило удалить примеси и превратить скорлупу в обугленный – другой богатый углеродом материал, который имеет гораздо большую проводимость, чем необработанная скорлупа.

«Этот процесс жизненно важен для удаления примесей и получения Мы — лучший богатый углеродом материал, который поможет гарантировать, что в конечном графене будут минимальные дефекты и что он действительно представляет собой всего лишь один слой атомов», — говорит Йео.

«Это то, чего вы хотите и должны гарантировать, что он обладает лучшими свойствами с точки зрения проводимости электричества и тепла».

Хотя с конвейером от скорлупы арахиса к графену экспериментировали и раньше, это исследование показывает, насколько тщательный контроль материала-прекурсора может значительно улучшить получаемый графен. качество.

По теме: «Чудо-материал» графен был обнаружен на Луне

Однако это еще не значит, что процесс еще идеален. Полученный графеновый материал имеет высокие показатели качества, но обычно состоит из нескольких графеновых слоев, уложенных в турбостратном порядке, и для масштабирования этого метода для коммерческого использования может потребоваться три-четыре года, отмечают исследователи.

Работа по дальнейшему совершенствованию процесса на основе этого лабораторного доказательства концепции будет продолжена. Тем временем исследователи хотят посмотреть, может ли их индивидуальный подход к приготовлению и нагреванию работать с другими типами биомассы.

«Мы планируем также проводить эксперименты с другими материалами, такими как кофейная гуща, банановая кожура или что-то еще, что может дать нам хороший уголь, который затем превратится в графен», — говорит Йео.

«Учитывая, сколько такого органического материала доступно, наша работа демонстрирует хороший баланс между энергоэффективностью и качеством графена, который мы получаем в конечном итоге. и экономической жизнеспособности всего процесса».

Исследование было опубликовано в журнале «Chemical Engineering Journal Advances».