Doktorand Kailash Arole använder elektrokemisk exfoliering för att separera grafen från petroleumkoks. Kredit:Texas A&M Engineering
Forskare vid Texas A&M University och ExxonMobil utvecklar en metod för att bearbeta petroleumkoks – en biprodukt av raffinering av råolja – till ett hållbart, högvärdigt alternativ. Med hjälp av en kemisk process som kallas elektrokemisk exfoliering har de omvandlat petroleumkoks till grafen, ett nanomaterial med tillämpningar inom elektronik, medicin och energilagring.
Denna studie publicerades i npj 2D Materials and Applications .
Råolja är en blandning av många olika kolväten, med lätta delar som går till naturgas medan de tyngsta delarna bildar trögflytande eller till och med fasta material. En av de många produkter som kommer från raffinering av råolja är fast petroleumkoks.
Även om det finns många sätt att använda petroleumkoks, såsom elektroder för stål- och aluminiumproduktion, frigör denna process skadliga koldioxidutsläpp. Av denna anledning letar industrin efter material med låga utsläpp och högt värde som kan härledas från råolja.
En möjlig lösning är att återanvända den kolrika petroleumkoksen för att generera grafen, ett mångsidigt arkliknande material som består av ett enda lager av kolatomer. Konventionellt exfolieras grafen från grafit. Forskarna undersökte om några kemiska processer skulle underlätta grafenproduktion från material som härrör från fossila bränslen.
"Vi vet att petroleumkoks innehåller grafenliknande material", säger Dr. Micah Green, professor vid Artie McFerrin Department of Chemical Engineering vid Texas A&M. "Vår utmaning var att isolera grafenet från utgångsmaterialet."
För att utföra denna uppgift vände sig forskarna till elektrokemi. De placerade koks i en elektrolytlösning med en arbetselektrod och en motelektrod. När de applicerade spänning på arbetselektroden, migrerade jonarten eller negativa joner från elektrolyten in mellan grafenarken i en process som kallas interkalering.
"Tänk på koksen som en bok och grafenen som varje enskilt pappersark," sa Green. "När boken läggs platt på ryggraden fläktar sidorna ut och har fler luckor mellan dem. Processen med elektrokemisk exfoliering är liknande."
När koksen expanderas separeras grafenen. Negativa joner skapas och flyttas in i utrymmena mellan grafenarken, vilket fullbordar koksbiprodukten och grafenseparationen.
Många grafentillämpningar kräver hög konduktivitet, men om grafenen från petroleumkoks kunde uppnå sådana prestanda var okänt. Grafenen som skapades av koksen hade en ledningsförmåga på 50 siemens per meter jämfört med ett typiskt litiumjonbatteri, vars elektriska ledningsförmåga är cirka 150-160 siemens per meter. Med en värmebehandling som kallas glödgning kan forskarna öka konduktiviteten ännu högre, vilket gör den jämförbar med elektroder i litiumjonbatterier.
Med dessa fynd kan grafenapplikationer som har varit under utveckling i åratal komma till stånd.
"Framtiden för uppskalning av nanomaterial är direkt knuten till befintliga strömmar inom den petrokemiska industrin, och jag förutser många fler fall där petroleumbaserade kemikalier omvandlas till högvärdiga kolmaterial som grafen", säger Green. + Utforska vidare
