Grafenoxid från kolfiber grönt alternativ till grafit från gruvor
KTH forskare rapporterar om ett grönt alternativ för att minska beroendet av naturlig grafit, råvaran bakom nästa generations material baserade på grafen.
I den senaste volymen av den vetenskapliga tidskriften Small säger forskare vid KTH att de har utvecklat en reproducerbar och skalbar metod för att producera grafenoxid (GO) nanoark från kommersiella kolfibrer, vilket markerar ett genombrott inom hållbar nanomaterialsyntes.
Processen involverar exfoliering av kolfibrer med salpetersyra, vilket ger högt utbyte av atomtjocka ark av grafenoxid med egenskaper som är jämförbara med kommersiell GO från utvunnen grafit.
Grafenoxid är ett brett studerat nanomaterial som kan användas i bilbatterier när dess tunna ark staplas ihop och bildar lager som liknar grafit. Det är också användbart i högpresterande kompositer, vattenrening och elektroniska enheter. Syntes från bruten grafit kräver dock starka kemikalier och resulterar ofta i materialinkonsekvenser på grund av variationer i grafitens renhet.
Richard Olsson, professor i polymera material vid KTH, säger att koncepttest, “proof of concept”, genomfördes med kolfibrer som härrör från polyakrylnitril (PAN), en allmänt tillgänglig polymer som genomgår högtemperaturoxidation och grafitisering. Han säger att metoden skulle kunna dupliceras med andra råkällor, såsom biomassa eller skogsindustrins sidoströmmar.
Richard Olsson pekar på att exempelvis marknaden för elfordonsbatterier kan dra nytta av den nya tekniken. Kärnan i grafitbatteriets funktionalitet kan hittas i den skiktade grafenen, som kan hämtas från kommersiella kolfibrer med den här metoden, säger han.
- Framtidens biltillverkning kommer att bygga på batteribaserad kraft, och frågan är varifrån grafiten kommer att hämtas? Det kommer att behövas alternativ.
Metoden består i att omvandla kolfibrerna med hjälp av elektrokemisk oxidation i ett bad av vatten och salpetersyra. Badet fungerar som en ledare och när en elektrisk ström skickas genom kolfiber börjar materialet tappa elektroner som omvandlar ytan ungefär på samma sätt som oxidation uppträder som rost på en bil.
Studien upptäckte ett fönster där bara 5 procent salpetersyra var perfekt för att skapa små nanoark, från 0,1 till 1 mikrometer i storlek. Denna låga syranivå skalade effektivt av lagren genom en blandning av kemiska reaktioner, vilket resulterade i grafenoxid (GO) med en enhetlig tjocklek på cirka 0,9 nanometer. Noterbart är att GO nanosheets syntetiserade på detta sätt uppstod i cirkulära och elliptiska former, i motsats till den polygonala morfologin som är typisk för GO syntetiserad från naturlig grafit.
För att säkerställa att nanoarken uppfyllde kvalitetskraven undersökte og mätte forskarna materialets egenskaper och struktur med ett antal avancerade tekniker.
Studien undersökte också metoder för att ta bort skyddande polymerbeläggningar från kommersiella kolfibrer före oxidation, uppvärmning vid 580°C i två timmar och stötuppvärmning till 1200°C i tre sekunder – båda visade sig vara effektiva. Forskningen visade att den elektriska ledningens natur i fibrerna spelar en avgörande roll i den elektrokemiska exfolieringsprocessen.
Richard Olsson säger att nästa steg för forskarna inkluderar att undersöka biobaserade källor för kolfibrer och fördjupa sig i hur processen fungerar.
David Callahan