กราฟีนโฟมคุณภาพสูงทำจากก๊าซเสียที่ผลิตขึ้นระหว่างการบำบัดขยะอินทรีย์ที่อุณหภูมิสูง นักวิจัยในจีนกล่าวว่าเทคนิคที่ใช้ไพโรไลซิสมีราคาถูกลงและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมมากกว่าวิธีการผลิตทั่วไป Hong Jiangจากมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งประเทศจีนในเหอเฟย์และเพื่อนร่วมงานกล่าวว่าวัสดุดังกล่าวมีโครงสร้างคล้ายกับโฟมกราฟีนที่ผลิตตามอัตภาพ
โฟมยังแสดงประสิทธิภาพการขนส่งทางไฟฟ้าที่คล้ายคลึงกัน
และสามารถกรองและดูดซับของเหลว เช่น เบนซินและพาราฟิน เช่นเดียวกับผลิตภัณฑ์กราฟีนอื่นๆ โฟมกราฟีนเป็นแผ่นคาร์บอน 2 มิติที่มีรูพรุน รุ่น 3 มิติซึ่งเป็นกราฟีนทั่วไป เช่นเดียวกับกราฟีนรูปแบบอื่น ๆ พวกมันมีความแข็งแรงมาก มีอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ได้สูง และเป็นตัวนำความร้อนที่ดี โฟมมีศักยภาพในการใช้งานที่หลากหลาย รวมทั้งในการจัดเก็บพลังงาน การทำให้บริสุทธิ์ต่อสิ่งแวดล้อม เคมี และการตรวจจับทางชีวภาพการสะสมของไอเคมี
โดยปกติแกรฟีนโฟมผลิตโดยการสะสมไอสารเคมี ก๊าซที่ประกอบด้วยคาร์บอน เช่น มีเทน และก๊าซพาหะ ถูกนำไปใช้กับสารตั้งต้นที่เป็นโฟมโลหะที่ให้ความร้อน ซึ่งมักจะเป็นนิกเกิลหรือทองแดง เมื่อก๊าซสัมผัสกับสารตั้งต้น พวกมันจะสะสมฟิล์มของอะตอมคาร์บอน เมื่อปฏิกิริยาเสร็จสิ้น โลหะจะถูกแกะสลักทิ้งโดยเหลือโครงตาข่าย 3 มิติของกราฟีน
การสะสมไอของสารเคมีมีราคาแพงและใช้ไฮโดรเจน มีเทน และก๊าซอื่นๆ เป็นจำนวนมาก ซึ่งเป็นสาเหตุที่ Jiang และเพื่อนร่วมงานตั้งใจที่จะผลิตกราฟีนโดยใช้ก๊าซเสียที่อุดมด้วยคาร์บอนจากโรงกลั่นชีวภาพที่ใช้ขยะอินทรีย์ โรงงานเหล่านี้ให้ความร้อนแก่สิ่งมีชีวิตต่อหน่วยพื้นที่ถึง 500 °C หรือมากกว่าในกรณีที่ไม่มีออกซิเจนเพื่อผลิตทางเลือกแทนผลิตภัณฑ์จากน้ำมันดิบ เช่น เชื้อเพลิงชีวภาพ กระบวนการนี้เรียกว่าไพโรไลซิส ถูกใช้มาเป็นเวลาหลายพันปีในการผลิตถ่าน
ทีมงานได้ตั้งค่าระบบไพโรไลซิสที่อุณหภูมิสูง
และผลิตกราฟีนโฟมโดยใช้วัตถุดิบสองชนิดที่แตกต่างกัน ได้แก่ ผงเซลลูโลสและลิกนินแบบผง ซึ่งได้มาจากพืชทั้งสองชนิด ผงถูกไพโรไลซ์ที่ 800 °C และก๊าซของเสียถูกกรองเพื่อให้ได้ก๊าซโมเลกุลขนาดเล็ก ก๊าซบริสุทธิ์เหล่านี้ถูกป้อนเข้าไปในห้องสะสมไอเคมีและสะสมบนโฟมนิกเกิล
มีการใช้เทคนิคต่างๆ เช่น Raman spectroscopy และ scaning electron microscopy เพื่อสำรวจโครงสร้างของโฟมกราฟีน “ผลิตภัณฑ์ทั้งสองมีคุณภาพดีโดยไม่มีข้อบกพร่องที่ชัดเจน” Jiang กล่าวกับPhysics World
ฟางและขี้เลื่อยแต่เซลลูโลสผงและลิกนินผงไม่เหมือนกันกับขยะชีวมวล เพื่อจำลองขยะอินทรีย์แบบดั้งเดิมมากขึ้น นักวิจัยจึงป้อนฟางและขี้เลื่อยของระบบ กราฟีนโฟมที่ผลิตได้มีคุณภาพลดลงเล็กน้อยเมื่อเทียบกับเซลลูโลสและลิกนิน อย่างไรก็ตาม นักวิจัยกล่าวว่าโฟมทั้งหมดที่พวกเขาทำขึ้นนั้นมีโครงสร้างที่สม่ำเสมอและประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมในการใช้งานด้านสิ่งแวดล้อมหรือการเก็บพลังงาน
วัสดุที่อุดมไปด้วยลิกนิน เซลลูโลส และเฮมิเซลลูโลสจะดีที่สุดสำหรับการผลิตโฟมกราฟีน 3 มิติ Jiang กล่าว แต่ขยะอินทรีย์อื่นๆ ก็สามารถนำมาใช้ได้ “คุณภาพของโฟมกราฟีน 3 มิติอาจได้รับอิทธิพลจากองค์ประกอบอื่นๆ ของขยะชีวมวล” เขาอธิบาย “ตัวอย่างเช่น ไนโตรเจนหรือกำมะถันอาจถูกเจือลงในผลิตภัณฑ์ที่ได้รับ หากวัตถุดิบมีปริมาณสูง [ขององค์ประกอบเหล่านี้]”
Edward Randviirนักเคมีจากมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์
เมโทรโพลิแทนซึ่งไม่เกี่ยวข้องกับการวิจัยกล่าวกับPhysics Worldว่าการผลิตกราฟีนมักอาศัยเชื้อเพลิงฟอสซิลหรือกราไฟต์บริสุทธิ์ ซึ่งเป็นวัสดุหายากที่สำคัญ การมองหาวิธีการผลิตทางเลือกจึงคุ้มค่าต่อการแสวงหา เขาเสริมว่างานแสดงให้เห็นว่าการผลิตกราฟีนจากชีวมวลหมุนเวียนนั้น “เป็นไปได้ค่อนข้างชัดเจน”
การวิเคราะห์วัฏจักรชีวิตพบว่าการผลิตโฟมกราฟีนจากไพโรไลซิสของขี้เลื่อยใช้พลังงานน้อยกว่าและมีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมน้อยกว่ากระบวนการสะสมไอเคมีทั่วไปโดยใช้มีเทน โฟมที่ได้จากชีวมวลมีผลกระทบน้อยกว่าใน 15 จาก 18 หมวดหมู่ รวมถึงภาวะโลกร้อนและการใช้ที่ดินกราฟีนที่เกิดจากเลเซอร์สำหรับ ‘อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่กินได้’
เช่นเดียวกับโฟมกราฟีน กระบวนการของ Jiang ยังผลิตไบโอออยล์อีกด้วย ทีมงานกล่าวว่าการผลิตผลิตภัณฑ์ที่มีมูลค่าสูงเช่น graphene ควบคู่ไปกับเชื้อเพลิงชีวภาพดังกล่าวสามารถปรับปรุงศักยภาพทางเศรษฐกิจของไพโรไลซิจากชีวมวลและสนับสนุนการค้าในวงกว้าง
อย่างไรก็ตาม Randviir ไม่เชื่อในเรื่องนี้ ในขณะที่เขาคิดว่ามีศักยภาพในการผลิตกราฟีนจากขยะอินทรีย์ เขาตั้งคำถามว่าสามารถทำได้ในวงกว้างหรือไม่ และหากเป็นไปได้ เศรษฐกิจอาจเปลี่ยนแปลง ปัจจุบันกราฟีนมีราคาแพงเพราะไม่มีใครรู้วิธีผลิตกราฟีนในระดับอุตสาหกรรม เขาอธิบาย หากเป็นเช่นนั้น ราคาจะลดลง และเพิ่มมูลค่าให้กับกระบวนการไพโรไลซิสน้อยลง
Jiang และเพื่อนร่วมงานของเขากำลังมองหาที่จะสำรวจความสัมพันธ์ระหว่างผลผลิตของกราฟีนโฟมและไบโอออยล์ และประเมินต้นทุนและมูลค่าของกระบวนการต่อไป พวกเขายังต้องการขยายขนาดของกราฟีนโฟมและควบคุมจำนวนชั้นของกราฟีนได้ดีขึ้น Jiang กล่าว
สิ่งสำคัญที่สุดคือ Runge ตั้งข้อสังเกตว่าเลเซอร์โซลิตันกำลังสูงกว่าที่เคยสามารถทำได้ “ในโซลิตันกำลังสองแบบปกติ ถ้าคุณลดระยะเวลาของพัลส์ลงครึ่งหนึ่ง พลังงานจะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า” Runge อธิบาย “ในโซลิตันควอร์ติกบริสุทธิ์ใหม่เหล่านี้ หากคุณลดระยะเวลาของพัลส์ลงครึ่งหนึ่ง พลังงานจะเพิ่มขึ้นโดย ปัจจัยแปด” วิธีนี้ช่วยให้สามารถใช้ในแอปพลิเคชันใหม่ได้: “โซลิตันควอร์ติก 100 fs สามารถบรรจุพลังงานนาโนจูลที่มีกำลังสูงสุดเป็นสิบหรือหลายร้อยกิโลวัตต์” เขากล่าว “สำหรับการผ่าตัดด้วยเลเซอร์และการถ่ายภาพแบบไม่เชิงเส้นก็เพียงพอแล้ว”
จำเป็นต้องทำให้เข้าใจง่าย
อย่างไรก็ตาม เขากล่าวว่าอุปกรณ์ของพวกเขาต้องการการทำให้เข้าใจง่ายขึ้นเพื่อกำจัดเครื่องสร้างรูปร่างชีพจรก่อนที่จะใช้งานได้ในเชิงพาณิชย์เหมือนเลเซอร์โซลิตัน “ในปัจจุบัน เราไม่มีเส้นใยที่มีการกระจายตัวที่ถูกต้อง” เขากล่าว “แต่ในอนาคต หากคุณสามารถประดิษฐ์ไฟเบอร์แบบนั้นได้ – และเรามีการออกแบบอยู่แล้ว – คุณไม่จำเป็นต้องทำเฟสมอดูเลตหรืออะไรทำนองนั้น และคุณจะมีเลเซอร์ที่ง่ายกว่ามาก สิ่งที่เราทำที่นี่เป็นการพิสูจน์หลักการที่ว่าพัลส์เหล่านี้มีอยู่และมีคุณสมบัติเหล่านี้ แต่เราก็ยังห่างไกลจากเลเซอร์ควอร์ติกโซลิตันบริสุทธิ์เชิงพาณิชย์”
Credit : greenteagallery.net hassegawa.net hdpaperwall.net henryxp.net hotelsnearheathrowairport.net
