Кора эвкалипта снизит стоимость производства графена в сотни раз

Листья и плоды эвкалипта шаровидного, кора которого использовалась в работе

powo.science.kew.org

Ученые представили модифицированный способ синтеза графена. Идея заключается в использовании экстракта коры эвкалипта в качества восстановителя в реакции получения графена из его оксида, который является намного более дешевым веществом. В результате получаются листы неидеальной формы, но их качества достаточно для многих применений, а цена получения значительно снижается, пишут авторы в журнале ACS Sustainable Chemistry & Engineering.

Графен — это одна из аллотропных модификаций углерода. Это вещество состоит из объединенных в шестиугольники атомов, расположенных в одной плоскости. Графен обладает рядом необычных свойств, которые интересны как с точки зрения фундаментальной науки, так и в связи с потенциальными применениями.

Физиков в первую очередь привлекают электронные особенности графена, связанные с линейной дисперсией носителей заряда, в результате которой электроны внутри вещества становятся эффективно безмассовыми. В плане технологий к этому добавляются механические свойства, такие как высочайшая прочность на разрыв и гибкость материала, в результате чего он считается идеальным кандидатом для использования в носимой электронике. Также графен обладает исключительно высокой теплопроводностью и поглощает свет в широком диапазоне длин волн.

На данный момент существует масса методов получения графена: химическое осаждение из газовой фазы, эпитаксиальный рост, различные виды отслоения графита или его интеркаляции и другие. Однако большинство из них годится только для лабораторий из-за трудностей масштабирования. Одним из способов, потенциально подходящих для получения графена в больших объемах, является восстановление из оксида.

Оксид графена можно получить в несколько стадий из графита — широко распространенной аллотропной модификации углерода, состоящей из неупорядоченно сложенных одноатомных слоев. Под воздействием сильных окислителей графит превращается в оксид, который отличается присутствием различных кислород- и водородсодержащих групп, а также увеличенными и нерегулярными расстояниями между слоями. Если полученное вещество затем поместить в раствор щелочи, то оно самопроизвольно распадается на отдельные листы оксида графена.

Полученный оксид необходимо восстановить до графена, то есть избавить от связей с кислородом. Однако уже предложенные методы предполагают использование взрывчатых или токсичных соединений, таких как борогидрид натрия, гидразин­-гидрат и диметилгидразин. Соответственно, применение способов на их основе сопряжено с рисками как для экологии, так и для здоровья людей.

В статье ученых из Австралии и Индии описываются результаты использования в качестве восстановителя экстракта из коры эвкалипта шаровидного (Eucalyptus globulus) — группы близкородственных деревьев, растущих на побережье Австралии и в Индии. Авторы отмечают, что другие группы уже неоднократно пытались применять восстановители растительного происхождения, но в тех работах формировались скомканные агломераты листов графена, которые не подходят для большинства применений.

«Экстракт коры эвкалипта никогда ранее не использовался для синтеза листов графена и мы с удивлением обнаружили, что этот метод не только работает, но и превосходит аналоги, причем как в плане безопасности, так и в плане общей стоимости, — говорит соавтор работы Суреш Бхаргава (Suresh Bhargava) из Мельбурнского королевского технологического университета. — Наш подход может снизить цену производства графена с примерно 100 долларов США за грамм до всего 50 центов, увеличивая его доступность для промышленности по всему миру и обеспечивая развитие множества новых технологий».

Авторы отмечают, что эффективность экстракта связана с высоким содержанием высокомолекулярных полифенолов в коре эвкалипта. Одним из основных параметров качества графена, полученного из оксида, является отношение углерода к кислороду C/O, которое должно быть как можно большим. Ученые пишут, что ранее с использованием экологически чистых реагентов удавалось получить C/O на уровне 5—7, а новым методом удалось почти достичь значения 11.

В качестве тестового применения исследователи выбрали конденсаторы, для чего измерили соответствующие электронные характеристики полученного графена. В частности, удельная емкость вещества оказалась равна 239 фарад на грамм — это значение существенно меньше, чем у получаемого с помощью опасных химикатов графена, и ниже теоретического предела, но больше, чем у других «экологичных» аналогов. Максимальная измеренная авторами плотность мощности составила 1800 ватт на килограмм.

Мы брали интервью у одного из первооткрывателей графена — нобелевского лауреата Константина Новоселова. Одним из активных направлений исследований графена в последние годы стала сверхпроводимость, которая возникает в двуслойном веществе их относительном повороте на определенный угол. Также мы делали тест, который поможет разобраться, что вы знаете о самом тонком материале в мире.

Тимур Кешелава

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.