Die bananenschil, omgezet in grafeen, kan bijdragen aan een enorme vermindering van de milieu-impact van beton en andere bouwmaterialen. Terwijl je toch bezig bent, gooi in die plastic leeggoed.

Een nieuw proces geïntroduceerd door het Rice University-lab van chemicus James Tour kan bulkhoeveelheden van zowat elke koolstofbron omzetten in waardevolle grafeenvlokken. Het proces is snel en goedkoop; Tour zei dat de "flash grafeen"-techniek een ton steenkool kan omzetten, voedselafval of plastic om te zetten in grafeen voor een fractie van de kosten die worden gebruikt door andere bulkproductiemethoden voor grafeen.

"Dit is een groot probleem, " zei Tour. "De wereld gooit 30% tot 40% van al het voedsel weg, omdat het slecht gaat en plastic afval is een wereldwijd probleem. We hebben al bewezen dat elke vaste stof op koolstofbasis, inclusief gemengd plastic afval en rubberbanden, kan worden omgezet in grafeen."

Zoals gemeld in Natuur , flash grafeen wordt gemaakt in 10 milliseconden door koolstofhoudende materialen te verwarmen tot 3, 000 Kelvin (ongeveer 5, 000 graden Fahrenheit). Het bronmateriaal kan bijna alles zijn met koolstofgehalte. Voedsel verspilling, plastic afval, petroleumcokes, steenkool, houtresten en biochar zijn de beste kandidaten, zei toer. "Met de huidige commerciële prijs van grafeen van $ 67, 000 tot $200, 000 per ton, de vooruitzichten voor dit proces zien er fantastisch uit, " hij zei.

Tour zei dat een concentratie van slechts 0,1% flitsgrafeen in het cement dat wordt gebruikt om beton te binden, de enorme milieu-impact met een derde zou kunnen verminderen. De productie van cement stoot naar verluidt elk jaar maar liefst 8% van de door de mens gemaakte koolstofdioxide uit.

"Door beton te versterken met grafeen, we zouden minder beton kunnen gebruiken om te bouwen, en het zou minder kosten om te produceren en minder om te vervoeren, "zei hij. "In wezen, we vangen broeikasgassen op zoals koolstofdioxide en methaan die afvalvoedsel zou hebben uitgestoten op stortplaatsen. We zetten die koolstoffen om in grafeen en voegen dat grafeen toe aan beton, waardoor de hoeveelheid kooldioxide die wordt gegenereerd bij de betonproductie wordt verlaagd. Het is een win-win milieuscenario met behulp van grafeen."

"Afval in schatten veranderen is de sleutel tot de circulaire economie, " zei co-corresponderende auteur Rouzbeh Shahsavari, een adjunct-assistent-professor civiele en milieutechniek en materiaalkunde en nano-engineering bij Rice en president van C-Crete Technologies. "Hier, grafeen fungeert zowel als een 2D-sjabloon en een versterkend middel dat de hydratatie van cement en de daaropvolgende sterkte-ontwikkeling regelt."

Vroeger, toer zei, "grafeen is te duur geweest om in deze toepassingen te gebruiken. Het flash-proces zal de prijs aanzienlijk verlagen, terwijl het ons helpt om afval beter te beheren."

“Met onze methode dat koolstof vast wordt, "zei hij. "Het zal niet meer in de lucht komen."

Het proces sluit mooi aan bij het onlangs aangekondigde Carbon Hub-initiatief van Rice om een ​​emissievrije toekomst te creëren waarin koolwaterstoffen uit olie en gas worden hergebruikt om waterstofgas en vaste koolstof te genereren zonder uitstoot van koolstofdioxide. Het flashgrafeenproces kan die vaste koolstof omzetten in grafeen voor beton, asfalt, gebouwen, auto's, kleding en meer, zei toer.

Flash Joule-verwarming voor bulkgrafeen, ontwikkeld in het Tour-lab door Rice afgestudeerde student en hoofdauteur Duy Luong, verbetert technieken zoals afschilfering van grafiet en chemische dampafzetting op een metaalfolie die veel meer inspanning en kosten vergen om slechts een beetje grafeen te produceren.

Nog beter, het proces produceert "turbostratisch" grafeen, met verkeerd uitgelijnde lagen die gemakkelijk te scheiden zijn. "AB gestapeld grafeen van andere processen, zoals afschilfering van grafiet, is heel moeilijk uit elkaar te halen, " zei Tour. "De lagen hechten sterk aan elkaar.

Maar turbostratisch grafeen is veel gemakkelijker om mee te werken omdat de hechting tussen de lagen veel lager is. Ze komen gewoon uit elkaar in oplossing of bij het mengen in composieten.

"Dat is belangrijk, omdat we nu elk van deze enkel-atomaire lagen kunnen laten interageren met een gastheercomposiet, " hij zei.

Het lab merkte op dat gebruikt koffiedik werd omgezet in ongerepte enkellaagse vellen grafeen.

Bulkcomposieten van grafeen met plastic, metalen, multiplex, beton en andere bouwmaterialen zouden een belangrijke markt zijn voor flitsgrafeen, volgens de onderzoekers die al grafeenversterkt beton en plastic testen.

Het flashproces vindt plaats in een speciaal ontworpen reactor die materiaal snel verwarmt en alle niet-koolstofelementen als gas afgeeft. "Als dit proces geïndustrialiseerd is, elementen zoals zuurstof en stikstof die de flitsreactor verlaten, kunnen allemaal worden gevangen als kleine moleculen omdat ze waarde hebben, ' zei Tour.

Hij zei dat het flitsproces heel weinig overtollige warmte produceert, bijna al zijn energie naar het doel kanaliseren. "Je kunt een paar seconden daarna je vinger op de container leggen, "Zei Tour. "En onthoud dat dit bijna drie keer heter is dan de chemische dampafzettingsovens die we vroeger gebruikten om grafeen te maken, maar in het flash-proces wordt de warmte geconcentreerd in het koolstofmateriaal en niet in een omringende reactor.

"Alle overtollige energie komt eruit als licht, in een zeer heldere flits, en omdat er geen oplosmiddelen zijn, het is een super schoon proces, " hij zei.

Luong had niet verwacht grafeen te vinden toen hij het eerste kleinschalige apparaat startte om nieuwe fasen van materiaal te vinden, beginnend met een monster van roet. "Dit begon toen ik een Science-paper bekeek over flash Joule-verwarming om faseveranderende nanodeeltjes van metalen te maken, " zei hij. Maar Luong realiseerde zich al snel dat het proces niets anders dan grafeen van hoge kwaliteit produceerde.

Simulaties op atoomniveau door Rice-onderzoeker en co-auteur Ksenia Bets bevestigden dat temperatuur de sleutel is tot de snelle vorming van het materiaal. "We versnellen in wezen het langzame geologische proces waardoor koolstof evolueert naar zijn grondtoestand, grafiet, "zei ze. "Sterk versneld door een hittepiek, het wordt ook op het juiste moment gestopt, in het grafeenstadium.

"Het is verbazingwekkend hoe state-of-the-art computersimulaties, notoir traag voor het observeren van dergelijke kinetiek, de details onthullen van op hoge temperatuur gemoduleerde atomaire bewegingen en transformatie, ' zei Bets.

Tour hoopt binnen twee jaar een kilo flitsgrafeen per dag te produceren, te beginnen met een project dat onlangs is gefinancierd door het ministerie van Energie om steenkool uit de VS om te zetten. "Dit zou op grote schaal een afzet kunnen bieden voor steenkool door het goedkoop om te zetten in een veel waardevoller bouwmateriaal, " hij zei.