ÚC – Các nhà nghiên cứu tại đại học New South Wales (UNSW – University of New South Wales) đã phát hiện ra một phương pháp mới để sản xuất graphene (*), một vật liệu kỳ diệu, bằng cách tái chế vỏ đậu phộng.
(*) Graphene: là một lớp các nguyên tử carbon sắp xếp theo mạng lưới lục giác (tổ ong), chỉ dày một nguyên tử và là vật liệu 2D đầu tiên trên thế giới. Đây là vật liệu siêu nhẹ, bền gấp 200 lần thép, dẫn điện hay nhiệt tốt hơn đồng, trong suốt và dẻo dai, ứng dụng cao trong pin, điện tử, và vật liệu nhựa composite.

Sự phát triển này mở ra cơ hội sản xuất các thiết bị điện tử và thiết bị lưu trữ năng lượng với chi phí hơn, bền vững hơn; đồng thời có thể giúp chuyển đổi phế phẩm nông nghiệp thành những sản phẩm có giá trị bên trong điện thoại và máy tính vốn được hàng tỷ người trên thế giới sử dụng mỗi ngày.

Giáo sư Guan Yeoh, người dẫn đầu nhóm nghiên cứu, chia sẻ: “Graphene nổi tiếng là một trong những vật liệu mỏng nhất, cứng nhất và dẫn điện tốt nhất mà khoa học từng biết đến”.

Giáo sư Yeoh nói thêm: “Graphene được cấu tạo từ một lớp nguyên tử carbon duy nhất sắp xếp theo mạng lưới hình lục giác, nhưng lại cứng hơn thép hàng trăm lần, dẫn điện và dẫn nhiệt tốt hơn đồng và trong suốt hoàn toàn.”

Những đặc tính đó khiến graphene trở nên cực kỳ hữu ích trong hàng loạt công nghệ, từ pin và tấm pin năng lượng mặt trời đến màn hình cảm ứng, thiết bị điện tử linh hoạt và các bóng bán dẫn siêu tốc.

Tuy nhiên, graphene có giá thành rất cao và khó sản xuất với số lượng lớn, đòi hỏi hóa chất và các phương pháp tiêu tốn nhiều năng lượng, đó là lý do tại sao việc tìm kiếm các giải pháp thay thế bền vững và giá cả hợp lý lại có ý nghĩa quan trọng như vậy.

Hiện nay, nhóm nghiên cứu tại đại học UNSW do Giáo sư Yeoh dẫn đầu đã phát triển một quy trình để tạo ra graphene từ một nguyên liệu mà mọi người thường vứt đi, chính là vỏ đậu phộng.

Nghiên cứu của họ đã được công bố trên tạp chí khoa học Chemical Engineering Journal Advances.

Giáo sư Yeoh nói rằng: “Mỗi năm có gần 55 triệu tấn đậu phộng được sản xuất trên khắp thế giới, tuy nhiên hầu hết phần phụ phẩm từ vỏ đậu phộng đều bị vứt bỏ hoặc tái chế thành các ứng dụng có giá trị thấp, không phát huy được tiềm năng”.

Giáo sư Yeoh nói tiếp: “Những gì nhóm nghiên cứu đã chứng minh trong dự án này là vỏ đậu phộng thông thường có thể được chuyển đổi thành graphene chất lượng cao với mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn nhiều so với yêu cầu hiện nay, và do đó chi phí cũng thấp hơn. Chúng tôi không cần sử dụng bất kỳ loại hóa chất nào, vì vậy phương pháp này còn mang lại lợi ích bổ sung cho môi trường.”

Giáo sư Yeoh chia sẻ: “Graphene hữu ích trong việc tạo ra các vật liệu bền hơn, nhẹ hơn và dẫn điện tốt hơn cho các ứng dụng trong điện tử, lưu trữ năng lượng, thiết bị y tế và thậm chí cả các công nghệ linh hoạt như cảm biến, tế bào quang điện và công nghệ đeo (wearable tech) trên cơ thể người.”

Giáo sư Yeoh nói rằng: “Nhu cầu về những sản phẩm này đang tăng lên nhanh chóng, vì vậy thật thú vị khi tìm ra cách sản xuất nhiều graphene hơn theo phương thức tiết kiệm chi phí, và bằng cách sử dụng nguyên liệu vốn dĩ là chất thải”.

Lignin là yếu tố then chốt
Đột phá đầu tiên của nhóm nghiên cứu là việc nhận ra rằng vỏ đậu phộng chứa rất nhiều lignin, một loại polyme tự nhiên trong thực vật có hàm lượng carbon rất cao.

Điều này đã gợi cho họ ý tưởng nghiền nhỏ vỏ đậu phộng và sử dụng một chuỗi các phương pháp xử lý nhiệt để giải phóng tiềm năng sản xuất graphene của chúng.

Bước đầu tiên bao gồm việc nung nóng lớp vỏ đến gần 500°C trong vòng 5 phút để loại bỏ các tạp chất và chuyển đổi vỏ thành vật liệu than giàu carbon (carbon-rich char).

Bước thứ hai đưa vật liệu than này vào quy trình được gọi là “flash joule heating” (gia nhiệt Joule nhanh), trong đó một luồng điện cực mạnh sẽ nhanh chóng đẩy nhiệt độ của vật liệu lên gần 3.000°C chỉ trong vài phần nghìn giây.

Nguồn nhiệt năng lớn này ngay lập tức sắp xếp lại các nguyên tử carbon thành các lớp graphene đơn nhất.

Các phương pháp sản xuất graphene hiện nay truyền thống thường phải bổ sung muội than (carbon black) (*) ở giai đoạn này, một loại hóa chất công nghiệp được sản xuất chủ yếu từ nhiên liệu hóa thạch như dầu mỏ và khí đốt tự nhiên.
(*) Carbon black: là một dạng carbon rắn được sản xuất theo các quy trình được kiểm soát chặt chẽ để tạo ra các hợp chất được thiết kế đặc biệt của các hạt carbon có kích thước hạt, kích thước hợp chất, hình dạng, độ xốp và hóa học bề mặt khác nhau. Carbon black thường chứa hơn 95% carbon nguyên chất với lượng oxy, hydro và nitơ tối thiểu.

Tuy nhiên, phương pháp của nhóm nghiên cứu tại đại học UNSW chỉ sử dụng chính vật liệu than (derived char) (*) có nguồn gốc từ vỏ đậu phộng, nhờ đó vừa thân thiện với môi trường hơn, vừa đơn giản hóa quy trình sản xuất.
(*) Derived char: là vật liệu carbon rắn thu được sau khi một vât liệu hữu cơ (trong nghiên cứu này là vỏ đậu phộng) bị nung ở nhiệt độ cao trong môi trường thiếu oxy.

Nhìn chung, quy trình mới này có thể hoàn thành trong khoảng 10 phút, mang lại lợi thế về việc cắt giảm đáng kể lượng năng lượng tiêu thụ so với các phương pháp thương mại đang được sử dụng hiện nay.

Trên thực tế, các tính toán của họ chỉ ra rằng một kg graphene có thể được sản xuất bằng phương pháp này với chi phí năng lượng chỉ 1,3 USD.

Giáo sư Yeoh nói rằng: “Những gì nhóm nghiên cứu xác định được trong các thí nghiệm là yếu tố quan trọng nhất để sản xuất graphene chất lượng cao chính là xử lý sơ bộ (pre-treatment) hoặc kỹ thuật tiền chất (precursor engineering) được thực hiện trên vỏ đậu phộng trước khi gia nhiệt Joule nhanh”.

Giáo sư Yeoh nói thêm: “Quy trình đó đóng vai trò sống còn để loại bỏ các tạp chất và cung cấp vật liệu giàu carbon tốt nhất, nhằm đảm bảo các khiếm khuyết trong cấu trúc graphene thành phẩm là tối thiểu và nó thực sự chỉ là một lớp nguyên tử duy nhất.”

Giáo sư Yeoh nói tiếp: “Đó là những điều kiện cần thiết để đảm bảo vật liệu có các đặc tính tốt nhất về mặt dẫn điện và dẫn nhiệt.”

Thương mại hóa trong tương lai
Mặc dù lượng graphene được sản xuất bằng quy trình mới ở quy mô nhỏ, các nhà nghiên cứu hy vọng rằng với những bước phát triển xa hơn, quy trình này có thể được thương mại hóa trong vòng ba đến bốn năm tới.

Giáo sư Yeoh cho biết thêm, một loạt các loại rác thải hữu cơ khác cũng có tiềm năng được sử dụng để tạo ra kết quả tương tự.

Giáo sư Yeoh chia sẻ: “Nhóm nghiên cứu đã sử dụng vỏ đậu phộng như một trường hợp thử nghiệm, nhưng thành phần chính của quy trình này là lignin, một chất có mặt trong nhiều loại thực vật khác nhau. Chúng tôi đang lên kế hoạch thực hiện các thí nghiệm với các vật liệu khác, như bã cà phê, vỏ chuối, hoặc bất cứ vật liệu gì có thể cung cấp nguồn than tốt để chuyển hóa thành graphene.”

Giáo sư Yeoh nói rằng: “Xét trên khối lượng vật liệu hữu cơ sẵn có, công trình nghiên cứu đã chứng minh được sự cân bằng hợp lý giữa hiệu suất năng lượng, chất lượng graphene thành phẩm và tính khả thi về kinh tế của toàn bộ quy trình.”

Giáo sư Yeoh khẳng định: “Những gì chúng tôi đã thực hiện thực sự làm nổi bật tiềm năng ứng dụng trong sản xuất graphene quy mô lớn từ sinh khối (biomass-to-graphene)”.

Để xem các tin bài khác về “Graphene”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online