Khoa học tự nhiên

Phương pháp tổng hợp graphen mới sử dụng chất thải nông nghiệp (18/04/2014)

Có bốn phương pháp tổng hợp chủ yếu để sản xuất graphen gồm: lắng đọng hóa học từ hơi (CVD) trên màng kim loại, mọc epitaxy trên cacbua silic, tách lớp chất lỏng từ tinh thể graphite, và khử hóa học oxide graphen.

Hình ảnh TEM ở phạm vi nguyên tử của graphen tinh thể kích cỡ micro.

Sử dụng các phương pháp này có thể sản xuất khối lượng lớn graphen với kích cỡ lớn và chất lượng cao. Tuy nhiên, tất cả các phương pháp này đều có những nhược nhiểm như: quy trình CVD rất phức tạp, yêu cầu nhiệt độ cao và chất nền đắt tiền làm cho nó không phù hợp với sản xuất khối lượng lớn; phương pháp mọc epitaxy tạo graphen với kích cỡ của miếng đế cacbua silic có giá thành cao và quy trình yêu cầu nhiệt độ cao hơn 1500^oC; tách lớp hay khử hóa học oxide graphite có thể sản xuất ra graphen với quy mô mở rộng, mặc dù việc sử dụng các hóa chất độc hại cũng như những yêu cầu phức tạp làm cho quy trình trở nên khó thực hiện nếu muốn mở rộng quy mô.

Trong một công trình nghiên cứu mới, các nhà nghiên cứu giờ đây đã đưa ra một phương pháp thay thế chế tạo graphen từ vỏ trấu. Công trình nghiên cứu sử dụng một thiết bị tổng hợp thông thường và nguồn chất thải nông nghiệp phong phú, cho thấy vật liệu graphen chi phí thấp giờ đây đã có thể tổng hợp dễ dàng và rẻ với quy mô công nghiệp.

Sản lượng lúa gạo toàn cầu hàng năm đạt gần 700 trăm triệu tấn, và phần phế liệu từ trấu - lớp vỏ bọc bảo vệ bên ngoài hạt gạo chiếm khoảng 20% trọng lượng hạt, tức là bằng khoảng 120 triệu tấn một năm - đây có thể là một nguồn nguyên liệu lớn để sản xuất graphen.

Do rất dư thừa nên vỏ trấu đã được chú ý đến như một loại nguyên liệu ban đầu trong sản xuất các vật liệu giá trị gia tăng cao như dioxide silic và cacbon xốp. Vỏ trấu còn được sử dụng để sản xuất silic với cấu trúc nano xốp lý tưởng dùng cho anôt pin ion liti hiệu suất cao.

“Trong công trình nghiên cứu, chúng tôi thực hiện khả năng tổng hợp graphen kết tinh với phạm vi kích cỡ nano theo một phương pháp nhanh, ổn định, hiệu quả chi phí và có thể mở rộng quy mô, bằng cách dùng kali hydroxit để kích hoạt chất thải nông nghiệp như tro trấu” - Hiroyuki Muramatsu, Phó Giáo sư khoa Kỹ thuật đại học Shinshu Nhật Bản và cũng là người phụ trách công trình nghiên cứu cho biết. Cùng tham gia nhóm nghiên cứu còn có Yoong Ahm Kim, Phó Giáo sư khoa học và vật liệu polime Đại học quốc gia Chonnam.

Mặc dù sản xuất than hoạt tính từ vỏ trấu đã có một truyền thống khá lâu, nhưng đây là lần đầu tiên cấu trúc graphen được quan sát thấy trong than hoạt tính chế tạo từ vỏ trấu. Các nhà nghiên cứu đã nhận ra sự xuất hiện những cấu trúc gờ có độ kết tinh cao và thuần nhất nguyên tử trong vật liệu tổng hợp, mặc dù mẫu graphen được lấy ở môi trường nhiệt độ thấp (850^oC). Graphen tinh thể kích cỡ nano thể hiện cấu trúc đơn hoặc đa lớp với các cạnh thuần nhất, trong khi graphen gấp nếp (corrugated graphen) bao gồm các miền kích cỡ vài nanomet (200-300 nguyên tử cacbon) cho thấy các ranh giới thớ rõ ràng.

Theo các nhà nghiên cứu cho biết, sự hiện diện của các gờ cạnh ổn định và thuần nhất có thể chứa đựng những đặc tính lý hóa khác thường, điều này làm cho nó trở thành loại vật liệu đáng chú ý trong chế tạo các thiết bị tích trữ và chuyển hóa năng lượng hiệu suất cao, như các siêu tụ điện và lưu trữ hydro, màng lọc nước thế hệ tiếp theo và các vật liệu nano composit khác.

Theo các nhà nghiên cứu cho biết, vẫn còn một số vấn đề cần giải quyết. Thứ nhất, các quy trình sử dụng (canxi hóa và xử lý KOH) gây khó khăn trong việc đánh giá chi tiết cơ chế hình thành graphen với cấu trúc độc đáo của nó. Thứ hai, quy trình sản xuất cần đến xử lý kali hydrovit để tổng hợp graphen, nhóm nghiên cứu đang tìm kiếm giải pháp kích hoạt thay thế không cần sử dụng các hợp chất có tính kiềm mạnh.

Nguồn: www.vista.vn (Theo Nanowerk)