Учёные из Университета Джеймса Кука и Университета Флиндерса нашли неожиданное применение дешёвому сельскохозяйственному побочному продукту — нанocеллюлозе. Используя её, исследователи смогли получить графен — один из самых ценных и перспективных материалов современности, востребованный в аккумуляторах, электронике и даже космической технике. Причём сделали это без агрессивной химии и с минимальным воздействием на окружающую среду.
Результаты работы опубликованы в международном научном журнале Small Structures и уже привлекли внимание специалистов в области материаловедения и энергетики.
Что такое графен и почему вокруг него столько шума
Графен — это ультратонкий слой углерода толщиной всего в один атом. Несмотря на такую «бумажную» тонкость, он отличается феноменальной прочностью, высокой электропроводностью и отличной теплопередачей. Неудивительно, что его называют суперматериалом: он способен сделать батареи ёмче и быстрее заряжаемыми, электронику — компактнее, а конструкционные материалы — легче и прочнее.
Проблема в том, что сегодня графен в основном получают из природного графита — ресурса невозобновляемого и ограниченного. Более того, лучшие месторождения находятся лишь в нескольких регионах мира, например на Шри-Ланке.
Принцип действия: от древесины к атомному слою
Команда под руководством доцента кафедры машиностроения Университета Джеймса Кука Эльзы Антунеш предложила альтернативный путь. В качестве сырья исследователи использовали целлюлозу, полученную из древесной биомассы — по сути, из того, что обычно идёт в отходы.
Сначала эту целлюлозу превращали в биоуголь (биочар) с помощью мягкого пиролиза — термической обработки без экстремальных температур. Затем в дело вступало ключевое устройство эксперимента — запатентованный вихревой флюидный реактор (Vortex Fluidic Device, VFD).
Этот аппарат вращается с очень высокой скоростью, точно управляя движением жидкости внутри. Благодаря этому учёные смогли контролировать процесс расслоения углерода и формирование графеновых слоёв из исходного биоугля. И что особенно важно — в качестве растворителя использовалась обычная вода.
«Мы можем буквально настраивать, какими будут слои графена — их толщину и качество», — поясняет первый автор статьи, аспирант Ю Мацууда.
Без кислот и катализаторов
Большинство существующих методов получения графена требуют агрессивных химикатов или сложных катализаторов. В новом исследовании от всего этого удалось отказаться. Это первая работа, в которой графен из биомассы получали при мягких условиях пиролиза, без едких реагентов и с минимальным экологическим следом.
Полученный материал тщательно протестировали: учёные измерили его удельную поверхность, количество дефектов и число слоёв. В результате процесс удалось оптимизировать — дефектов стало меньше, а площадь поверхности увеличилась, что особенно важно для применения в аккумуляторах и суперконденсаторах.
«По своим характеристикам наш графен оказался очень близок к тому, который получают из невозобновляемых источников», — отмечает Мацууда.
Зачем это нужно и что дальше
По словам Эльзы Антунеш, переход к возобновляемому сырью для производства графена может стать примером экономики замкнутого цикла, когда отходы одной отрасли превращаются в ресурс для другой. Например, волокна сахарного тростника или другие сельскохозяйственные остатки могут получить вторую жизнь в виде высокотехнологичных материалов.
«Если мы научимся делать графен из возобновляемых источников, это откроет дорогу более устойчивым батареям и технологиям, которые помогут защитить наше будущее», — подчёркивает исследовательница.
В перспективе такой подход может снизить зависимость от добычи полезных ископаемых и сделать передовые материалы доступнее. А значит, путь от аграрных отходов к батареям будущего может оказаться куда короче, чем мы привыкли думать.
