Учёные Университета Нового Южного Уэльса (UNSW, Австралия) разработали способ получения графена из отходов арахисовой скорлупы. Результаты работы опубликованы в журнале Chemical Engineering Journal Advances.
От агроотходов к «материалу будущего»
Графен — однослойная структура атомов углерода с гексагональной решёткой — известен высокой прочностью, теплопроводностью и электропроводностью. Он применяется в электронике, аккумуляторах, солнечных панелях, сенсорах и гибких устройствах. Однако существующие методы его производства остаются энергоёмкими и дорогостоящими.
Команда под руководством профессора Гуана Йео предложила использовать в качестве исходного сырья скорлупу арахиса — сельскохозяйственный отход, образующийся в больших объёмах. По данным исследователей, в мире ежегодно производится около 55 млн тонн арахиса, а значительная часть оболочек используется низкоэффективно или утилизируется.
Роль лигнина и двухступенчатый процесс
Ключевым элементом технологии стал лигнин — природный полимер, содержащийся в растительных тканях и богатый углеродом. Именно высокая концентрация лигнина в скорлупе позволила рассматривать её как перспективный углеродный прекурсор.
Процесс включает два этапа:
- Предварительный нагрев измельчённой скорлупы до примерно 500°C в течение пяти минут. Это позволяет удалить примеси и получить углеродсодержащий материал (char).
- Импульсный джоулев нагрев (flash joule heating) — кратковременный электрический разряд, мгновенно повышающий температуру до порядка 3000°C на доли секунды. В этих условиях атомы углерода перестраиваются в однослойную структуру графена.
В отличие от традиционных методов, на промежуточной стадии не используется технический углерод (carbon black), получаемый из ископаемого топлива. Процесс не требует химических реагентов и занимает около 10 минут.
По расчётам авторов, энергозатраты позволяют производить килограмм графена примерно за 1,3 доллара США в пересчёте на электроэнергию.
Качество материала и перспективы масштабирования
Исследователи подчёркивают, что качество графена во многом определяется предварительной подготовкой сырья. Удаление примесей и формирование углеродной основы с минимальными дефектами позволяют получать однослойные структуры с высокой проводимостью.
Пока объёмы производства остаются лабораторными, однако разработчики считают, что при дальнейшей оптимизации технология может быть коммерциализирована в течение трёх–четырёх лет.
Кроме арахисовой скорлупы, в качестве потенциального сырья рассматриваются другие органические отходы с высоким содержанием лигнина — кофейная гуща, банановая кожура и иные растительные остатки.