MỸ – Một chai nhựa được tái chế, sau đó có thể góp phần cung cấp năng lượng cho xe điện, điện thoại thông minh hoặc hệ thống lưu trữ năng lượng tái tạo. Đây là kỳ vọng được đặt ra bởi một nhóm chuyên gia tại đại học Bang Pennsylvania (Pennsylvania State university).

Trong nghiên cứu, các nhà khoa học đã chuyển đổi thành công rác thải nhựa polyethylene terephthalate (PET) thành graphite (*) tổng hợp có cấu trúc trật tự cao, một dạng tinh thế của carbon. Khối graphite được tạo ra có các tinh thể kích thước lớn, và cấu trúc đồng đều (các vùng vi mô gồm các lớp carbon xếp thẳng hàng), cho thấy một cấu trúc tinh thể có tổ chức rất cao.
(*) Graphite (than chì): là một dạng hình thù của carbon nguyên chất, tương tự như kim cương hay than củi thông thường. Dù có cùng thành phần hóa học là nguyên tố carbon (C), nhưng do cách sắp xếp các nguyên tử khác nhau nên graphite và kim cương có tính chất hoàn toàn trái ngược.

Các đặc tính này vượt trội hơn so với các mẫu graphite tự nhiên thương mại, chứng minh rằng vật liệu có nguồn gốc từ nhựa PET có cấu trúc tinh thể trật tự hơn. Độ trật tự cấu trúc như vậy chính là chỉ số quan trọng quyết định khả năng phù hợp để làm vật liệu cực âm (anode) chất lượng cao, khi so sánh với graphite tự nhiên vốn thường được dùng làm tiêu chuẩn đối chứng trong các nghiên cứu về pin.

Các phát hiện này, được công bố trên tạp chí Diamond and Related Materials, cho thấy một loại rác thải phổ biến có thể trở thành nguồn carbon giá trị cao phục vụ sản xuất pin.

Cô Shakshi Sekar, tác giả chính của nghiên cứu, chia sẻ: “Hầu hết mọi người đều nghĩ chai nhựa sau khi sử dụng sẽ trở thành rác thải. Công trình của nhóm chứng minh rằng chính vật liệu đó có thể trở thành tài nguyên quý để sản xuất graphite, thành phần thiết yếu cho các công nghệ pin hiện đại.”

Được bộ năng lượng Hoa Kỳ (U.S. department of energy) xếp vào nhóm khoáng sản quan trọng, graphite là thành phần không thể thiếu trong pin lithium-ion, đóng vai trò là vật liệu cực âm giúp lưu trữ và giải phóng điện tích. Khi nhu cầu về xe điện, thiết bị điện tử tiêu dùng và hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô lưới điện tiếp tục tăng trưởng, nhu cầu về graphite chất lượng cao dùng cho pin cũng tăng theo.

Theo hiệp hội quốc gia về tài nguyên hộp nhựa PET (NAPCOR – National association for PET container resources), PET vẫn là một trong những loại nhựa được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới. Mặc dù nhiều khách hàng có ý thức bỏ chai nhựa vào thùng tái chế, phần lớn vật liệu này cuối cùng vẫn bị thải bỏ, tái chế thành các sản phẩm có giá trị thấp hơn (downcycled) hoặc đưa ra bãi chôn lấp.

Nhóm nghiên cứu nhận thấy đây là một cơ hội lớn để giải quyết đồng thời cả hai vấn đề trên.

Bằng cách kết hợp nhựa PET băm nhỏ với một lượng nhỏ graphene oxide và nung nóng hỗn hợp qua một quy trình nhiệt luyện được kiểm soát, nhóm nghiên cứu đã có thể tái sắp xếp các nguyên tử carbon trong nhựa thành các cấu trúc graphite có độ trật tự cao.

Cô Sekar nói rằng: “Nhóm nghiên cứu không đơn thuần tìm giải pháp tiêu thụ rác thải nhựa. Nhóm đang tạo ra một vật liệu có giá trị cao giúp đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng đối với pin và các công nghệ năng lượng sạch.”

Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng việc bổ sung chỉ 2,5% trọng lượng graphene oxide mang lại loại graphite có chất lượng tốt nhất. Trong điều kiện đó, vật liệu phát triển các kích thước tinh thể vượt trội hơn so với graphite tự nhiên, thể hiện mức độ trật tự cao.

Theo các nhà khoa học, các nhóm chức chứa oxy nằm dọc theo các cạnh của các tấm graphene oxide đóng vai trò kích hoạt và thúc đẩy sự phát triển tinh thể graphite theo chiều ngang. Bề mặt lộ ra của graphene hoạt động như các khuôn mẫu (template) định hướng cho các nguyên tử carbon sắp xếp thành cấu trúc xếp chồng có tổ chức cao trong quá trình graphite hóa (quá trình chuyển đổi carbon thành graphite).

Phương pháp của nhóm nghiên cứu có sự khác biệt lớn so với nhiều phương pháp sản xuất graphite tổng hợp trước đây. Các kỹ thuật graphite hóa thông thường thường phụ thuộc vào các xúc tác kim loại như sắt, niken hoặc coban, điều này có thể để lại các tạp chất và cần có thêm các bước tinh chế hóa học phức tạp để loại bỏ.

Thay vào đó, các nhà nghiên cứu sử dụng các chất phụ gia gốc graphene để thúc đẩy quá trình graphite hóa mà không đưa vào các chất ô nhiễm kim loại.

Cô Sekar giải thích: “Bằng cách tránh sử dụng các chất xúc tác kim loại, nhóm có thể sản xuất graphite sạch hơn, đồng thời giảm việc sử dụng hóa chất và phát sinh chất thải”.

Các nhà nghiên cứu nhận định, việc loại bỏ các bước loại bỏ chất xúc tác có thể đơn giản hóa quy trình sản xuất trong tương lai và giảm dấu chân môi trường (environmental footprint) (*) liên quan đến việc sản xuất vật liệu pin.
(*) Dấu chân môi trường: là khái niệm dùng để đo lường tổng tác động mà một sản phẩm, dịch vụ, tổ chức hoặc hoạt động gây ra trong suốt vòng đời của nó.

Mặc dù cần có thêm các nghiên cứu tiếp theo để đánh giá khả năng sản xuất quy mô lớn cũng như hiệu suất thực tế trong pin, công trình này đã chứng minh một lộ trình đầy triển vọng để biến một trong những dòng rác thải phổ biến nhất thế giới thành vật liệu lưu trữ năng lượng có giá trị cao. Các phát hiện này cũng hướng tới một sự thay đổi sâu sắc hơn trong cách nhìn nhận về rác thải nhựa trong tương lai, cô Sekar lưu ý thêm.

Cô Sekar khẳng định: “Nếu rác thải nhựa có thể trở thành nguyên liệu đầu vào cho các vật liệu năng lượng mới, nó sẽ thay đổi hoàn toàn tư duy về việc tái chế. Thay vì xem nhựa là một vấn đề xử lý chất thải, có thể xem nó như một nguồn tài nguyên hỗ trợ đắc lực cho các công nghệ năng lượng sạch”.

Để xem các tin bài khác về “Chất thải nhựa”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online