När Ange Nzihou, expert på att omvandla samhällets avfall till värdefulla produkter, besökte Princeton 2022 tog han med sig en teknik för att omvandla avfallsbiomassa till grafen, ett material med många användningsområden från batterier till solceller. Han visste att hans tillvägagångssätt med en giftfri järnkatalysator gav fördelar jämfört med befintliga metoder som förlitar sig på farliga kemikalier, ädelmetaller eller fossila bränslen.
Det fanns bara ett problem:Nzihou visste inte exakt hur processen fungerade.
"I mitt arbete som kemiingenjör är jag ofta intresserad av materials slutliga egenskaper och hur de kan appliceras på den verkliga världen", säger Nzihou, en framstående professor i kemiteknik vid IMT Mines Albi—CNRS i Frankrike. besökte Princeton genom Fulbright Visiting Scholar Program. "Men om du vill optimera egenskaperna hos de material du producerar måste du förstå vad som händer på nano- och atomskala för att åstadkomma omvandlingen."
Det var där Claire White, docent i civil- och miljöteknik och Andlinger Center for Energy and the Environment, kom in för att hjälpa till.
Som Nzihous fakultetsvärd bidrog White med sin expertis inom karakterisering av material i nano- och atomskala för att avslöja mekanismen som gjorde det möjligt för järn att hjälpa till att omvandla avfallsbiomassa till grafen.
Resultatet blev inte bara två artiklar, den första publicerad i ChemSusChem och den andra i Applied Nano Materials , som beskriver mekanismen och löftet om att använda järn som en katalysator för att omvandla avfallsbiomassa, såsom träflis och annan cellulosarik biomassa, till förädlade kolmaterial. Det var också en startplatta för fortsatt samarbete mellan de två grupperna, en som kombinerade varje grupps expertis för att lägga till nya dimensioner till sina forskningsprogram.
Grafen, ett ark av rent kol med bara en atoms tjocklek, tillverkas vanligtvis genom kemisk ångavsättning, en process som ofta används i halvledarindustrin för att producera enhetliga beläggningar. Nzihou sade emellertid att kemisk ångavsättning ofta beror på farliga kemikalier och dyr teknik. På samma sätt sa han att alternativ för grafenproduktion vanligtvis använder giftiga eller kostsamma material, såväl som användningen av petroleumbaserade källor.
På jakt efter ett miljövänligt sätt att producera grafen, vände sig Nzihou och White till underutnyttjade biomassakällor som utgångsmaterial för processen. Tyvärr är det mesta av den biomassan rik på cellulosa, en riklig polymer som finns i växternas cellväggar. Cellulosa har visat sig vara svårt att omvandla till högordnade kolmaterial som grafen utan användning av giftiga eller sällsynta jordartsmetallkatalysatorer på grund av strukturen och arrangemanget av dess kemiska bindningar.
Men Nzihou fann att en järnoxidkatalysator kunde göra susen. Genom att föra in järnet i biomassan och värma det i en syrebegränsad miljö genom en process som kallas för karbonisering, visade Nzihou att det var möjligt att omvandla cellulosarik biomassa till ett slutligt material med omfattande områden av ordnade grafenark.
"Ange hade visat att det var möjligt att använda järn som katalysator," sa White. "Men den verkliga frågan var att försöka förstå hur järn gav detta katalytiska beteende."
White vände sig till sin expertis inom atomär och nanoskala karakterisering för svaret. Med hjälp av tekniker som total röntgenspridning, Raman-spektroskopi, transmissionselektronmikroskopi och magnetiska mätningar fann forskarna att under uppvärmningsprocessen bröt järnoxidkatalysatorn först ner för att bilda nanopartiklar i biomassan. När den cellulosarika biomassan började lösas upp vid högre temperaturer föll den ut som lager av grafenskivor på ytan av järnpartiklarna.
"Vi kunde faktiskt observera detta ordnade skal av kolatomer som bildades runt dessa järnnanopartiklar under processen," sa White.
Intressant nog fann Nzihou och White att några större järnnanopartiklar stödde mer omfattande områden av grafenbildning än många mindre, en användbar ledtråd som kan informera framtida ansträngningar för att skala upp processen att omvandla avfallsbiomassa till grafen. Forskarna fortsätter också att förfina processen för att öka storleken på de rena grafenområdena samtidigt som de minskar antalet defekter i det slutliga materialet.
"Nu när vi har en förståelse för mekanismen kan vi ta reda på hur vi kan förbättra processen och optimera egenskaperna hos grafenarken jämfört med den konventionella metoden för kemisk ångavsättning, och till och med överväga sätt att skala den inom en snar framtid." sa Nzihou. "För att i slutändan handlar vårt arbete om att utveckla miljövänliga avancerade kolmaterial samtidigt som vi stänger kolkretsen och minskar koldioxidutsläppen."
Forskarna sa att projektet gjorde det möjligt för dem att dra nytta av varandras expertis för att främja området för hållbart kolutnyttjande, och det inledande partnerskapet har sedan dess samverkat med flera pågående forskningsprojekt.
"Det har varit ett spännande samarbete", sa White. "Jag skulle aldrig ha sett mig själv arbeta med dessa hållbara kolmaterial, men dessa projekt med Ange har gett en utmärkt möjlighet att utöka mitt arbete och lägga till nya dimensioner till min forskning."
För Nzihou visade sig hans tid som gästande Fulbright Scholar bara vara en förhandstitt på vad som komma skall. Han kommer att återvända till Andlinger Center i mars 2024 som Gerhard R. Andlinger Visiting Fellow för att fortsätta utforska sätt att omvandla underutnyttjade källor av biomassa till avancerade kolmaterial med specifika egenskaper för applikationer som sträcker sig från jordbruk till energilagring och CO2 sekvestrering.
Med White planerar han att bredda omfattningen av sitt arbete genom att förena expertis från andra Princeton-fakultetsmedlemmar som Craig Arnold, Michele Sarazen och Rodney Priestley för att utveckla en strategi för hållbart kolutnyttjande. Han siktar också på att samarbeta med Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) för att utforska användningen av plasma för att driva olika produktionsprocesser.
Den första artikeln, "Synthesis and Growth of Green Graphene from Biochar Revealed by Magnetic Properties of Iron Catalyst", publicerades november 2022 i ChemSusChem . Den andra artikeln, "Järnnanopartiklar för att katalysera grafitisering av cellulosa för energilagringsapplikationer", publicerades februari 2023 i Applied Nano Materials .
Mer information: Amel C. Ghogia et al, Synthesis and Growth of Green Graphene from Biochar Revealed by Magnetic Properties of Iron Catalyst, ChemSusChem (2022). DOI:10.1002/cssc.202201864
Lina M. Romero Millán et al, Iron Nanoparticles to Catalyze Graphitization of Cellulose for Energy Storage Applications, ACS Applied Nano Materials (2023). DOI:10.1021/acsanm.2c05312
Tillhandahålls av Princeton University
