Un nuovo ed economico procedimento flash trasforma la spazzatura in prezioso grafene (VIDEO)

Una nuova tecnica green, veloce e a basso costo promette di produrre grafene utilizzando rifiuti alimentari, plastica e altri materiali

[28 Gennaio 2020]

Il metodo per trasformare la spazzatura in grafene illustrato nello studio “Gram-scale bottom-up flash graphene synthesis” pubblicato su Nature da un team di scienziati della Rice University e di C-Crete Technologies, potrebbe rivoluzione la gestione dei rifiuti e la produzione di materie prime. I ricercatori della Rice la riassumono così: «Quella buccia di banana, trasformata in grafene, può aiutare a facilitare una massiccia riduzione dell’impatto ambientale del calcestruzzo e di altri materiali da costruzione. Già che ci sei, lancia quei vuoti di plastica».

Si tratta di un nuovo processo realizzato nel Rice University lab dal chimico James Tour che «può trasformare grandi quantità di qualsiasi fonte di carbonio in preziosi fiocchi di grafene» e Tour spiega che «Il procedimento è rapido ed economico. La tecnica del “flash graphene” può convertire una tonnellata di carbonio, rifiuti alimentari o plastica, in grafene a una frazione del costo di altri metodi utilizzati per produrre grafene sfuso. Si tratta di un grosso problema. Nel mondo si getta dal 30% al 40% di tutto il cibo, perché va a male e i rifiuti di plastica sono in problema mondiale. Abbiamo già dimostrato che qualsiasi materia solida a base di carbonio, inclusi rifiuti di plastica misti e pneumatici di gomma, può essere trasformata in grafene».

Il grafene flash viene prodotto in 10 millisecondi riscaldando materiali contenenti carbonio a 3.000 Kelvin (circa 5.000 gradi Fahrenheit). Il materiale di base può essere praticamente qualsiasi cosa che abbia un contenuto di carbonio, Ma Tiour dice che <I principali candidati sono gli scarti alimentari, i rifiuti di plastica, il coke di petrolio, il carbone, gli scarti di legno e il biochar. Con l’attuale prezzo commerciale del grafene compreso tra i 67.000 e i 200.000 dollari per tonnellata, le prospettive per questo procedimento sembrano superbe».

Tour fa notare che «Una concentrazione di appena lo 0,1% di grafene flash nel cemento, utilizzato per legare il calcestruzzo, potrebbe ridurre di un terzo il suo massiccio impatto ambientale». E la produzione di cemento emette fino all’8% di anidride carbonica di origine antropica. Lo scienziato della Rice aggiunge che «Rafforzando il calcestruzzo con il grafene, potremmo usare meno calcestruzzo per l’edilizia e costerebbero meno sia la produzione e che il trasporto. In sostanza, intrappoliamo gas serra come l’anidride carbonica e il metano che i rifiuti alimentari avrebbero emesso in discarica. Convertiamo quel carbonio in grafene e aggiungendo quel grafene in calcestruzzo, riduciamo così la quantità di anidride carbonica generata nella produzione di calcestruzzo. Utilizzare il grafene è uno scenario ambientale vantaggioso per tutti usando il grafene».

Uno dei principali autori dello studio, Rouzbeh Shahsavari , presidente di C-Crete Technologies e che insegna al Department of civil and environmental engineeringdella Rice, fa notare a sua volta che «Trasformare la spazzatura in un tesoro è la chiave dell’economia circolare. Qui, il grafene agisce sia come modello 2D sia come agente rinforzante che controlla l’idratazione del cemento e il successivo sviluppo della resistenza». Tour aggiunge che «In passato, il grafene è stato troppo costoso per essere utilizzato in queste applicazioni. Il procedimento flash ridurrà notevolmente il prezzo e ci aiuterà a gestire meglio gli sprechi. Con il nostro metodo, quel carbonio viene fissato. Non rientrerà nell’aria».

All’università statunitense fanno notare che questo procedimento è perfettamente in linea con l’iniziativa Carbon Hub recentemente annunciata dalla Rice per creare un futuro a emissioni zero che propone di utilizzare gli idrocarburi per produrre idrogeno e carbonio solido a zero emissioni di anidride carbonica. Tour dice che «Il processo flash grafene può convertire quel carbonio solido in grafene per produrre cemento, asfalto, edifici, automobili, abbigliamento e altro».

Il Flash Joule heating, per produrre il grafene sfuso, sviluppato nel Tour Lab dal principale autore dello studio, Duy Luong, migliora tecniche come l’ esfoliazione dalla grafite e la chemical vapor deposition  su una lamina di metallo, che richiedono molto più lavoro e costi per produrre poco grafene. Tour spiega ancora che il procedimento fa ancora meglio: «produce grafene “turbostratico“, con strati disallineati che sono facili da separare. Il grafene A-B stacked proveniente da altri processi, come l’esfoliazione della grafite, è molto difficile da separare. Gli strati aderiscono fortemente insieme. Ma il grafene turbostratico è molto più facile da lavorare perché l’adesione tra gli strati è molto più bassa. Si separano semplicemente in soluzione o con la fusione in compositi. E’ importante, perché ora possiamo far interagire ciascuno di questi strati singolo-atomici con un host composite».

In laboratori i fondi di caffè sono stati trasformati in fogli di grafene a strato singolo incontaminati. Secondo i ricercatori, che stanno già testando calcestruzzo e plastica con grafene, compositi sfusi di grafene realizzati con plastica, metalli, compensato, calcestruzzo e altri materiali da costruzione sarebbero un mercato importante per il flash graphene.

Il procedimento flash avviene in un reattore progettato appositamente che riscalda rapidamente il materiale ed espelle sottoforma di gas tutti gli elementi non carbonici, «Quando questo processo verrà industrializzato, elementi come ossigeno e azoto che escono dal reattore flash possono essere intrappolati come piccole molecole perché hanno un valore. Il procedimento flash produce pochissimo calore in eccesso, incanalando quasi tutta la sua energia nel target. Potete mettere il dito sul container pochi secondi dopo.  E tenete presente che questo è quasi tre volte più caldo rispetto ai forni della chemical vapor deposition che utilizzavamo precedentemente per produrre grafene, ma nel procedimento flash il calore è concentrato nel materiale di carbonio e nessuno in un reattore circostante. Tutta l’energia in eccesso fuoriesce come luce, in un lampo molto brillante, e poiché non ci sono solventi, è un processo super pulito».

Luong non si aspettava di trovare del grafene quando ha acceso il primo dispositivo su piccola scala per trovare, partendo da un campione di carbon black, nuove fasi del materiale. Lo scienziato racconta che «Tutto questo è iniziato quando ho dato un’occhiata a un articolo di Science che parlava del flash Joule heating per creare nanoparticelle di metalli phase-changing. Poi mi sono reso presto conto che il processo non produceva altro che grafene di alta qualità».

Le simulazioni a livello di atomo di un’altra autrice dello studio, Ksenia Bets, hanno confermato che la chiave per la rapida formazione del materiale è la temperatura: «Essenzialmente acceleriamo il lento processo geologico attraverso il quale il carbonio si evolve nel suo stato fondamentale, la grafite – ha detto la scienziata della Rice – Viene molto accelerato da un picco di calore, ma va anche fermato al momento giusto, nella fase del grafene».

Partendo da un progetto recentemente finanziato dal Dipartimento dell’energia Usa per convertire il carbone, Tour spera di produrre due anni un chilogrammo al giorno di flash graphene e conclude: «Questo potrebbe fornire uno sbocco su larga scala al carbone convertendolo da un materiale a buon mercato in un materiale da costruzione di valore molto più elevato».

Tour ha già ricevuto un’ulteriore sovvenzione dal Dipartimento dell’energia Usa per incrementare il procedimento grafene flash, che sarà cofinanziato dalla start-up Universal Matter

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  • Rice lab makes pristine graphene in a flash

  • Flash graphene