به گزارش ایسنا و به نقل از فیز، دانشمندان دانشگاه رایس اخیرا با کمک" جیمز تور"( James Tour) شیمی دان این دانشگاه و" روزبه شهسواری"، استادیار دانشکده مهندسی عمران و محیطزیست و علوم مواد و فناوری نانو دانشگاه رایس و رئیس شرکت فناوری های" C- Crete" موفق به تبدیل مقادیر زيادي از هر منبع کربن به تکه های با ارزش گرافین شده اند.
به گفته محققان، روند انجام این کار سریع و ارزان بوده است. به عنوان مثال تبدیل پوست موز به گرافین میتواند به کاهش چشم‌گیر تأثیرات زیست محیطی بتن و دیگر مصالح ساختمانی کمک کند. دانشمندان این مطالعه اظهار کردند این روش که" فلش گرافین"( flash graphene) نام دارد، میتواند یک تن زغال سنگ، پسماند غذایی و یا پلاستیک را به گرافین تبدیل کند.
گرافین( Graphene) نامِ یکی از آلوتروپ هایِ کربن است. این ماده تشکیل شده از یک ساختار بلوری لانه زنبوری دوبعدی است که در آن هر اتم کربن به کمک سه الکترون ظرفیت خود، با سه پیوند SP2 هیبریدیزه شده به سه اتم کربن دیگر متصل شده است. یک الکترون ظرفیت باقی مانده نیز بر روی کل صفحه گرافین و بین تمام اتم ها به اشتراک گذاشته شده و الکترونِ آزاد است.
" جیمز تور" ذکر کرد:این یک کار بزرگ است. در جهان حدود ۳۰ الی ۴۰ درصد ضایعات غذاها دور ریخته می شوند و زباله های پلاستیکی نیز به همین صورت است که این موضوعی واقعا نگران کننده است. ما قبلاً ثابت کرده ایم که هر ماده جامد مبتنی بر کربن، از جمله ضایعات پلاستیکی مختلط و لاستیک میتواند به گرافین تبدیل شود.
طی این مطالعه که در مجله" نیچر" منتشر شد، فلش گرافین تنها در ۱۰ میلی ثانیه با گرم کردن مواد دارای کربن تا ۳ هزار درجه کلوین( حدود ۵ هزار درجه فارنهایت) ساخته می شود. مواد منبع تقریبا می تواند هر مواد حاوی کربن باشد. به گفته" تور"، پسماندهای غذایی، زباله های پلاستیکی، کک نفتی، زغال سنگ، الوار و بیوچار بهترین گزینه برای تبدیل به گرافین هستند.
کک نفتی( Petroleum coke) ماده جامد نهایی کربن است که از فرآیند پالایش نفت حاصل می شود و گروهی از سوخت ها بشمار می آید که بعنوان کک ها شناخته می شوند. کک نفتی بطور خاص از یک فرایند نهایی کراکینگ حاصل می شود که از فرایندهای مهندسی شیمی بشمار می آید و هیدروکربن های زنجیره ای نفت را در قسمتی به نام واحد کوکر، به زنجیره های کوتاه تر تقسیم می کند. کک نفتی بهمراه الکترود گرافیتی از مواد مورد نیاز برای صنعت فولاد است.
" تور" در ادامه گفت:باتوجه به قيمت فعلی گرافین که بین ۶۷ هزار تا ۲۰۰ هزار دلار در هر تن است، انجام این کار میتواند بسیار عالی و ارزشمند باشد.
غلظت تقریباً ۰.۱ درصد فلش گرافن در سیمانی که برای اتصال بتن استفاده می شود، می تواند تأثیر محیطی عظیم آن را تا یک سوم کاهش دهد. طبق گفته ها تولید سیمان به میزان ۸ درصد دی اکسید کربن منتشر شده توسط انسان ها در هر سال است.
" تور" در ادامه گفت:با تقویت بتن با گرافین، می توان از بتن کمتری برای ساخت و ساز استفاده کرد و هزینه این روش نیز کمتر است. ما گازهای گلخانه ای مانند دی اکسید کربن و متان را که پسماندهای غذایی ممکن است در گورستان پسماند شهری تولید کنند را به دام می اندازیم. ما آن دسته از کربن ها را به گرافین تبدیل می کنیم و گرافین را به بتن اضافه می کنیم و بدین ترتیب میزان دی اکسید کربن تولید شده در ساخت بتن کاهش می یابد. این یک سناریو است که توسط گرافین می توانیم از محیط زیستمان محافظت کنیم.
" روزبه شهسواری" یکی از نویسندگان این مطالعه بیان کرد:تبدیل زباله به گنج( گرافین) برای اقتصاد دورانی بسیار مهم است. در این ازمایش، گرافین هم بعنوان یک قالب یا الگوی ۲ بعدی و هم یک عامل تقویت کننده عمل می کند که هیدراتاسیون سیمان و توسعه قدرت بعدی آنرا کنترل می کند.
اقتصاد دورانی یا چرخشی( Circular Economy) یک نظام اقتصادی است که هدف آن کمینه کردن ضایعات و بيش ترین استفاده از منابع است.
" تور" نیز در ادامه اظهار کرد:در گذشته گرافین بسیار گران بود و استفاده از آن نیز هزینه بسياري برای افراد در برمی داشت؛ اما فرآیند فلش می تواند به خوبی هزینه را کاهش دهد و به ما کمک کند تا به بهترین وجه ممکن ضایعات را مدیریت کنیم. با این روش که ما توسعه دادیم، این کربن هرگز مجددا به هوا بازنخواهد گشت.
این فرایند به خوبی با برنامه آینده نگرانه این دانشگاه که Carbon Hub نام دارد، مطابقت دارد؛ زیرا پژوهشگران طی این برنامه قصد دارند ميزان انتشار کربن را به صفر برسانند. به گفته" تور"، فرایند گرافن فلش میتواند کربن جامد را به گرافین مورد نیاز بتن، آسفالت، ساختمان ها، ماشین ها، پوشاک و موارد ديگر تبدیل کند.
" گرمایش ژول فلش" برای حجم زيادي از گرافین ها توسط" دوی لونگ"( Duy Luong)، دانشجوی فارغ التحصیل دانشگاه رایس و نویسنده اصلی این مطالعه توسعه یافته است.
فرآیند فلاش در یک راکتور طراحی سفارشی اتفاق می افتد که مواد را به سرعت گرم می کند و همه عناصر غیر کربن را بعنوان گاز ساطع می کند. زمانی که این فرآیند صنعتی می شود، عناصری مانند اکسیژن و نیتروژن که از راکتور فلش خارج می شوند ، همه می توانند به عنوان مولکول های کوچک به دام افتند؛ برای این که دارای ارزش بالایی هستند.
محققان گفتند:فرآیند فلاش گرمای بسیار کمی را تولید می کند و تقریبا تمام انرژی آن را به سمت هدف هدایت می کند، به طوری که می توانید چند ثانیه بعد انگشت خود را درست روی ظرف بگذارید. البته باید ذکر کرد این تقریباً سه برابر گرمتر از کوره های رسوب بخار شیمیایی است که قبلاً برای ساختن گرافین از آنها استفاده می کردیم؛ اما در فرآیند فلاش گرما در ماده کربن متمرکز است. تمام انرژی اضافی به عنوان نور، در یک فلاش بسیار روشن بوجود می آید و از آنجا که هیچ حلالی وجود ندارد، این یک فرآیند بسیار تمیز است.
" لونگ" انتظار نداشت که وقتی اولین دستگاه در مقیاس کوچک را توسعه دهد؛ بتواند به گرافین دست یابد. وی در این مورد ذکر کرد:این ایده زمانی در ذهن من بوجود آمد که یک مقاله علمی که در مورد گرم کردن" فلش ژول" بود را خواندم و در آنجا گفته بود گرم کردن" فلش ژول" نانوذرات تغيير یافته فلزات را تغییر می دهند.
شبیه سازی سطح اتمی توسط پژوهشگر و نویسنده این مطالعه از دانشگاه رایس" سنیا بتس"( Ksenia Bets) تأیید کرد که دما برای تشکیل سریع ماده مهم است.
وی خاطرنشان کرد:ما اساسا روند زمین شناسی آهسته ای را که کربن در آن به حالت گرافیکی تبدیل می شود، سرعت می بخشیم.
" جیمز تور" امیدوار است ظرف مدت دو سال روزانه یک کیلوگرم( ۲.۲ پوند)" گرافین فلش" تولید کند و بودجه این پروژه نیز به وسیله وزارت انرژی ایالات متحده آمريکا تأمین خواهد شد.
- 15
- 2
