Método de produção de grafeno oferece alternativa verde à mineração

EurekAlert!

Pesquisadores na Suécia relatam uma alternativa verde para reduzir a dependência da mineração de grafite, a fonte bruta por trás do próximo material maravilhoso, o grafeno.

No último volume da revista científica Small, pesquisadores do Instituto Real de Tecnologia (KTH), dizem que desenvolveram um método reprodutível e escalável para a produção de nanofolhas de óxido de grafeno (GO) a partir de fibras de carbono comerciais, marcando um avanço na síntese sustentável de nanomateriais.

O processo envolve a esfoliação de fibras de carbono com ácido nítrico, que fornece altos rendimentos de folhas de óxido de grafeno de um átomo de espessura com características comparáveis ao GO comercial proveniente de grafite extraído.

O óxido de grafeno é um nanomaterial amplamente estudado que pode ser usado em baterias de automóveis quando suas folhas finas se empilham, formando camadas semelhantes ao grafite. Também é útil em compósitos de alto desempenho, purificação de água e dispositivos eletrônicos. No entanto, a síntese de grafite extraído requer produtos químicos agressivos e muitas vezes resulta em inconsistências de material devido a variações na pureza do grafite.

Richard Olsson, professor de materiais poliméricos da KTH, diz que a prova de conceito foi realizada com fibras de carbono derivadas da poliacrilonitrila (PAN), um polímero amplamente disponível que sofre oxidação e grafitização em alta temperatura. Ele diz que o método pode ser duplicado com outras fontes de matéria-prima, tais como biomassa ou resíduos da indústria florestal.

Olsson aponta para o mercado de baterias de veículos elétricos como aquele que pode se beneficiar da nova tecnologia. “O núcleo da funcionalidade da bateria de grafite pode ser encontrado no grafeno em camadas internas, que pode ser colhido de fibras de carbono comerciais usando esse método”, diz ele.

“O futuro da fabricação de automóveis se baseará na energia baseada em baterias, e a questão é de onde o grafite será obtido? Eles vão precisar de alternativas.”

O método consiste em transformar as fibras de carbono usando o processo de oxidação eletroquímica em um banho de água e ácido nítrico. O banho atua como um condutor e quando uma corrente elétrica é enviada através da fibra de carbono, o material começa a perder elétrons que transformam a superfície da mesma forma que a oxidação aparece como ferrugem em um carro. Nesse caso, a transformação faz com que camadas de óxido de grafeno em nanoescala se desprendam da superfície das fibras de carbono.

O estudo descobriu uma janela na qual apenas 5% de ácido nítrico era perfeito para criar essas minúsculas nanofolhas, variando de 0,1 a 1 micrômetro de tamanho, com uma espessura uniforme de cerca de 0,9 nanômetros. Notavelmente, as nanofolhas de GO sintetizadas dessa maneira surgiram em formas circulares e elípticas, em contraste com as formas poligonais típicas de GO sintetizadas a partir de grafite natural extraído.

Em comparação com os métodos sintéticos existentes, a nova abordagem oferece um alto rendimento de 200 miligramas de GO por grama de fibra de carbono. Essa taxa de conversão eficiente o torna viável para produção em larga escala, abordando um desafio fundamental na síntese de nanomateriais, diz ele.

Para garantir que as nanofolhas atendessem aos padrões de qualidade, os pesquisadores examinaram e mediram as propriedades e a estrutura do material com várias técnicas avançadas.

O estudo também explorou métodos para remover revestimentos de polímero protetor de fibras de carbono comerciais antes da oxidação, aquecendo a 580 ° C por duas horas e aquecendo a 1200 ° C por três segundos – ambos se mostrando eficazes. A pesquisa demonstrou que a natureza da condução elétrica dentro das fibras desempenha um papel crucial no processo de esfoliação eletroquímica.

Olsson diz que os próximos passos para os pesquisadores incluem investigar fontes de base biológica para fibras de carbono, aprofundando como o processo funciona.