Химики научились делать графен из отбросов

Ученые разработали новый метод синтеза графена, для которого в качестве исходного реактива годится любое твердое вещество с высоким содержанием углерода, в том числе пищевые отбросы, древесный уголь, нефтяной кокс, автомобильные покрышки или смешанные пластиковые отходы. Данным методом удалось получить слабо упорядоченный графен с чистотой до 99 процентов, пишут авторы в журнале Nature.

Графен — одна из аллотропных модификаций углерода, которая представляет собой плоские листы атомарной толщины. Графен обладает рядом уникальных механических, химических и электронных свойств, что потенциально делает его востребованным в большом количестве областей науки и техники. Однако на данный момент широких применений у графена нет, так как существующие методы синтеза вещества годятся либо для получения крошечных количеств высококачественных образцов, либо для промышленного синтеза неориентированных хлопьев низкого качества.

Большинство способов крупномасштабного получения графена опирается на подход «сверху-вниз», то есть в той или иной форме использует расслаивание графита путем его окисления до оксида, а затем восстановление полученного соединения до отдельных чешуек графена. При этом используются сильные и токсичные окислители, а материал на выходе, как правило, невысокого качества из-за наличия дефектов. Подход «снизу-вверх», с другой стороны, используется для синтеза отдельных листов высокого качества, например, посредством осаждения из газовой фазы. Некоторые из таких методов можно масштабировать, но в таком случае также не удается сохранить высокое качество продукта.

Американские химики под руководством Джеймса Тура (James Tour) из Университета Райса придумали новый метод, который частично объединяет преимущества двух существовавших подходов. Авторы показали, что пропускание мощного импульса электрического тока через богатое углеродом вещество приводит к синтезу большого количества графена, причем субстратом могут быть самые распространенные и дешевые продукты, которые необходимо измельчить и поместить в керамическую емкость между электродами. В результате с разумными энергозатратами и без применения едких реактивов удается за одно включение получать до нескольких грамм турбостратного графена, то есть обладающего слоистой структурой, но со случайно повернутыми слоями.

Работа основывается на предыдущих исследованиях этой группы, в которых графен получался при помощи облучения технического углерода лазерными импульсами. Затем ученые узнали о работе другой группы, в которой металлические наночастицы получали при помощи пропускания мощного тока, что должно оказывать примерно одинаковое воздействие — резкий нагрев.

Последовавшие эксперименты с гибридной методикой позволили найти параметры электрического импульса, подходящие для достижения необходимых трех тысяч кельвин, а детальное изучение образцов подтвердило формирование графена. При этом исходный субстрат практически полностью испаряется в течение десяти миллисекунд, а затем атомы углерода выстраиваются в нужную конфигурацию из газовой фазы.

Авторы отмечают, что полученный материал хорошо подходит в качестве добавки, например, в строительные материалы, такие как бетон и асфальт, а также пластмассы. В частности, исследователи уже определили, что добавление синтезированного графена в количестве всего 0,05 объемных процентов увеличивает прочность на сжатие у бетона на четверть. Существуют также инициативы по улучшению с помощью графена дорожных покрытий и красок.

Ранее ученые улучшили каталитические свойства графена при помощи птичьего помета, превратили его в аномальный магнит и предложили удешевить его производство в сотни раз с применением коры эвкалипта.

Тимур Кешелава