Toen Ange Nzihou, een expert in het omzetten van maatschappelijk afval in waardevolle producten, in 2022 Princeton bezocht, bracht hij een techniek mee om afvalbiomassa om te zetten in grafeen, een materiaal met vele toepassingen, van batterijen tot zonnecellen. Hij wist dat zijn aanpak met behulp van een niet-giftige ijzerkatalysator voordelen bood ten opzichte van bestaande methoden die gebruik maakten van gevaarlijke chemicaliën, edele metalen of fossiele brandstoffen.

Er was alleen één probleem:Nzihou wist niet precies hoe het proces werkte.

"In mijn werk als chemisch ingenieur ben ik vaak geïnteresseerd in de uiteindelijke eigenschappen van materialen en hoe ze kunnen worden toegepast in de echte wereld", zegt Nzihou, een vooraanstaand hoogleraar chemische technologie aan IMT Mines Albi – CNRS in Frankrijk. bezocht Princeton via het Fulbright Visiting Scholar Program. "Maar als je de eigenschappen van de materialen die je produceert wilt optimaliseren, moet je begrijpen wat er op nano- en atomaire schaal gebeurt om de transformatie tot stand te brengen."

Dat is waar Claire White, universitair hoofddocent civiele techniek en milieutechniek en het Andlinger Center for Energy and the Environment, te hulp kwam.

Als gastheer van de Nzihou-faculteit droeg White haar expertise op het gebied van de karakterisering van materialen op nano- en atomaire schaal bij om het mechanisme bloot te leggen dat ervoor zorgde dat ijzer afvalbiomassa in grafeen kon omzetten.

Het resultaat waren niet slechts twee artikelen, de eerste gepubliceerd in ChemSusChem en de andere in Toegepaste nanomaterialen , waarin het mechanisme en de belofte worden beschreven van het gebruik van ijzer als katalysator om afvalbiomassa, zoals houtsnippers en andere celluloserijke biomassa, om te zetten in koolstofmaterialen met toegevoegde waarde. Het was ook een springplank voor verdere samenwerking tussen de twee groepen, waarbij de expertise van elke groep werd gecombineerd om nieuwe dimensies aan hun onderzoeksprogramma's toe te voegen.

Een ontdekking van proporties op nanoschaal

Grafeen, een vel pure koolstof van slechts één atoom dik, wordt gewoonlijk gemaakt via chemische dampafzetting, een proces dat vaak wordt gebruikt in de halfgeleiderindustrie om uniforme coatings te produceren. Nzihou zei echter dat chemische dampdepositie vaak afhankelijk is van gevaarlijke chemicaliën en dure technologieën. Op dezelfde manier zei hij dat alternatieven voor de productie van grafeen doorgaans gebruik maken van giftige of kostenbeperkende materialen, evenals het gebruik van op aardolie gebaseerde bronnen.

Op zoek naar een milieuvriendelijke manier om grafeen te produceren, wendden Nzihou en White zich tot onderbenutte bronnen van biomassa als uitgangsmateriaal voor het proces. Helaas is het grootste deel van die biomassa rijk aan cellulose, een overvloedig polymeer dat voorkomt in de celwanden van planten. Het is moeilijk gebleken om cellulose om te zetten in hooggeordende koolstofmaterialen zoals grafeen zonder het gebruik van giftige of zeldzame aardmetaalkatalysatoren vanwege de structuur en rangschikking van de chemische bindingen.

Maar Nzihou ontdekte dat een ijzeroxidekatalysator de oplossing zou kunnen bieden. Door het ijzer in de biomassa te stoppen en het in een zuurstofgelimiteerde omgeving te verwarmen via een proces dat bekend staat als carbonisatie, demonstreerde Nzihou dat het mogelijk was om celluloserijke biomassa om te zetten in een eindmateriaal met uitgebreide gebieden van geordende grafeenvellen.

"Ange had aangetoond dat het mogelijk was om ijzer als katalysator te gebruiken," zei White. "Maar de echte vraag was om te proberen te begrijpen hoe ijzer voor dit katalytische gedrag zorgde."

White wendde zich voor het antwoord tot haar expertise op het gebied van karakterisering op atomaire en nanoschaal. Met behulp van technieken zoals totale röntgenverstrooiing, Raman-spectroscopie, transmissie-elektronenmicroscopie en magnetische metingen ontdekten de onderzoekers dat in de loop van het verwarmingsproces de ijzeroxidekatalysator eerst afbrak en nanodeeltjes in de biomassa vormde. Toen de celluloserijke biomassa bij hogere temperaturen begon op te lossen, sloeg deze als lagen grafeenvellen neer op het oppervlak van de ijzerdeeltjes.

"We konden deze geordende schil van koolstofatomen observeren die zich tijdens het proces rond die ijzeren nanodeeltjes vormden", zei White.

Interessant is dat Nzihou en White ontdekten dat een paar grotere ijzeren nanodeeltjes grotere gebieden van grafeenvorming ondersteunden dan veel kleinere, een nuttige aanwijzing die zou kunnen dienen als inspiratiebron voor toekomstige inspanningen om het proces van het omzetten van afvalbiomassa in grafeen op te schalen. De onderzoekers blijven het proces ook verfijnen om de omvang van de zuivere grafeengebieden te vergroten en tegelijkertijd het aantal defecten in het uiteindelijke materiaal te verminderen.

"Nu we inzicht hebben in het mechanisme, kunnen we uitzoeken hoe we het proces kunnen verbeteren en de eigenschappen van de grafeenplaten kunnen optimaliseren in vergelijking met de conventionele chemische dampdepositiemethode, en zelfs manieren kunnen overwegen om het in de nabije toekomst op te schalen," zei Nzihou. "Omdat ons werk uiteindelijk draait om het ontwikkelen van milieuvriendelijke, geavanceerde koolstofmaterialen, terwijl we tegelijkertijd de koolstofkringloop sluiten en de uitstoot van koolstofdioxide beperken."

Een startpunt voor vruchtbare samenwerkingen

De onderzoekers zeiden dat het project hen in staat stelde elkaars expertise te benutten om het veld van duurzaam koolstofgebruik vooruit te helpen, en het oorspronkelijke partnerschap is sindsdien geïntegreerd in meerdere lopende onderzoeksprojecten.

"Het was een opwindende samenwerking", zei White. "Ik had mezelf nooit aan deze duurzame koolstofmaterialen zien werken, maar deze projecten met Ange hebben een uitgelezen kans geboden om mijn werk uit te breiden en nieuwe dimensies aan mijn onderzoek toe te voegen."

Voor Nzihou bleek zijn tijd als bezoekende Fulbright Scholar slechts een voorproefje van wat komen gaat. Hij zal in maart 2024 terugkeren naar het Andlinger Center als Gerhard R. Andlinger Visiting Fellow om manieren te blijven onderzoeken om onderbenutte bronnen van biomassa om te zetten in geavanceerde koolstofmaterialen met specifieke eigenschappen voor toepassingen variërend van landbouw tot energieopslag en CO₂ beslaglegging.

Met White is hij van plan de reikwijdte van zijn werk te verbreden door de expertise van andere faculteitsleden van Princeton, zoals Craig Arnold, Michele Sarazen en Rodney Priestley, te bundelen om een ​​strategie voor duurzaam koolstofgebruik te ontwikkelen. Hij wil ook samenwerken met het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) om het gebruik van plasma's voor het aandrijven van verschillende productieprocessen te onderzoeken.

Het eerste artikel, "Synthesis and Growth of Green Graphene from Biochar Revealed by Magnetic Properties of Iron Catalyst", werd in november 2022 gepubliceerd in ChemSusChem . Het tweede artikel, 'Iron Nanoparticles to Catalyze Graphitization of Cellulose for Energy Storage Applications', werd in februari 2023 gepubliceerd in Applied Nano Materials .

Meer informatie: Amel C. Ghogia et al, Synthese en groei van groen grafeen uit Biochar onthuld door magnetische eigenschappen van ijzerkatalysator, ChemSusChem (2022). DOI:10.1002/cssc.202201864

Lina M. Romero Millán et al, IJzernanodeeltjes om de grafitisering van cellulose te katalyseren voor energieopslagtoepassingen, ACS toegepaste nanomaterialen (2023). DOI:10.1021/acsanm.2c05312

Aangeboden door Princeton University