Onderzoekers van de Texas A&M University en ExxonMobil ontwikkelen een methode om petroleumcokes - een bijproduct van de raffinage van ruwe olie - op te werken tot een duurzaam, hoogwaardig alternatief. Met behulp van een chemisch proces dat elektrochemische exfoliatie wordt genoemd, hebben ze petroleumcokes omgezet in grafeen, een nanomateriaal met toepassingen in elektronica, medicijnen en energieopslag.

Deze studie is gepubliceerd in npj 2D Materials and Applications .

Ruwe olie is een mengsel van veel verschillende koolwaterstoffen, waarbij lichte delen naar aardgas gaan, terwijl de zwaarste delen viskeuze of zelfs vaste materialen vormen. Een van de vele producten die voortkomen uit de raffinage van ruwe olie is vaste petroleumcokes.

Hoewel er veel manieren zijn om petroleumcokes te gebruiken, zoals elektroden voor de productie van staal en aluminium, komen bij dit proces schadelijke koolstofemissies vrij. Daarom zoekt de industrie naar emissiearme, hoogwaardige materialen die uit ruwe olie kunnen worden gewonnen.

Een mogelijke oplossing is het hergebruiken van de koolstofrijke petroleumcokes om grafeen te genereren, een veelzijdig plaatachtig materiaal dat bestaat uit een enkele laag koolstofatomen. Conventioneel wordt grafeen geëxfolieerd van grafiet. De onderzoekers onderzochten of chemische processen de productie van grafeen uit van fossiele brandstoffen afgeleide materialen zouden vergemakkelijken.

"We weten dat petroleumcokes grafeenachtige materialen bevat", zegt Dr. Micah Green, professor aan de Artie McFerrin Department of Chemical Engineering van Texas A&M. "Onze uitdaging was om het grafeen te isoleren van het uitgangsmateriaal."

Om deze taak te volbrengen, wendden de onderzoekers zich tot elektrochemie. Ze plaatsten cokes in een elektrolytoplossing met een werkelektrode en een tegenelektrode. Toen ze spanning op de werkelektrode aanbrachten, migreerden de ionensoorten of negatieve ionen van de elektrolyt tussen de grafeenplaten in een proces dat intercalatie wordt genoemd.

"Zie de coke als een boek en het grafeen als elk afzonderlijk vel papier", zei Green. "Als het boek plat op de rug wordt gelegd, waaieren de pagina's uit en hebben ze meer openingen tussen de pagina's. Het proces van elektrochemische exfoliatie is vergelijkbaar."

Wanneer de cokes wordt geëxpandeerd, scheidt het grafeen zich. Negatieve ionen worden gecreëerd en verplaatsen zich naar de ruimtes tussen de grafeenvellen, waardoor het cokesbijproduct en de grafeenscheiding worden voltooid.

Veel grafeentoepassingen vereisen een hoge geleidbaarheid, maar of het grafeen uit petroleumcokes dergelijke prestaties zou kunnen bereiken, was onbekend. Het grafeen dat uit de cokes werd gemaakt, had een geleidbaarheid van 50 siemens per meter in vergelijking met een typische lithium-ionbatterij, waarvan de elektrische geleidbaarheid ongeveer 150-160 siemens per meter is. Met een warmtebehandeling die gloeien wordt genoemd, konden de onderzoekers de geleidbaarheid nog verder verhogen, waardoor het vergelijkbaar wordt met elektroden in lithium-ionbatterijen.

Met deze bevindingen kunnen grafeentoepassingen die al jaren in ontwikkeling zijn, tot wasdom komen.

"De toekomst van het opschalen van nanomaterialen is direct verbonden met bestaande stromen in de petrochemische industrie, en ik verwacht nog veel meer gevallen waarin van aardolie afgeleide chemicaliën worden omgezet in hoogwaardige koolstofmaterialen zoals grafeen", aldus Green. + Verder verkennen

Machine learning verfijnt flash-grafeen