Sintesis graphene murni, 'bahan ajaib'

Anonim

Terbentuk jauh di dalam bumi, lebih kuat dari baja, dan lebih tipis dari rambut manusia. Perbandingan ini tidak menggambarkan pahlawan super baru. Mereka menggambarkan graphene, suatu zat yang oleh beberapa ahli disebut "yang paling menakjubkan dan serba bisa" yang dikenal umat manusia.

Profesor kimia UConn Doug Adamson, anggota Program Polimer di UConn's Institute of Material Science, telah mematenkan proses satu-of-a-kind untuk mengeksfoliasi bahan ajaib ini dalam bentuknya yang murni (tidak teroksidasi), serta pembuatan nanocomposites graphene yang inovatif. yang memiliki potensi kegunaan dalam berbagai aplikasi.

Jika Anda memikirkan grafit seperti setumpuk kartu, setiap kartu individu akan menjadi lembar graphene. Terdiri dari satu lapisan atom karbon yang tersusun dalam kisi heksagonal, graphene adalah kristal dua dimensi yang setidaknya 100 kali lebih kuat dari baja. Aerogel yang terbuat dari graphene adalah beberapa bahan paling ringan yang diketahui manusia, dan lembaran graphene adalah salah satu yang paling tipis, hanya satu atom tebal - yang kira-kira satu juta kali lebih tipis daripada rambut manusia. Graphene juga lebih panas dan konduktif listrik dari tembaga, dengan muatan listrik minimal.

Karena kualitas yang unik ini, graphene telah menjadi topik hangat bagi para peneliti akademis dan pemimpin industri sejak pertama kali diisolasi dari grafit pada tahun 2004. Sejak itu, lebih dari 10.000 artikel ilmiah telah dipublikasikan tentang materi tersebut. Namun dari publikasi ini, hanya Adamson yang membahas proses kepemilikan untuk pembuatan graphene dalam bentuk murni.

Apa yang orang lain sebut "graphene" sering benar-benar graphene oksida yang telah dikurangi secara kimia atau termal. Oksigen dalam graphene oxide menyediakan semacam pegangan kimia yang membuat graphene lebih mudah digunakan, tetapi menambahkannya ke graphene murni mengurangi sifat mekanik, termal, dan listrik material dibandingkan dengan graphene yang tidak dimodifikasi seperti jenis yang dihasilkan Adamson.

Ini juga secara signifikan meningkatkan biaya untuk memproduksi material. Oksidasi grafit membutuhkan penambahan bahan kimia berbahaya, seperti asam sulfat anhidrat dan kalium peroksida, diikuti oleh serangkaian manipulasi yang panjang untuk mengisolasi dan memurnikan produk, yang dikenal sebagai hasil kimia. Proses Adamson tidak memerlukan langkah-langkah tambahan atau bahan kimia untuk menghasilkan graphene dalam bentuk murni.

"Inovasi dan teknologi di belakang materi kami adalah kemampuan kami untuk menggunakan pendekatan termodinamika untuk meng-un-stack grafit ke dalam lembar graphene penyusunnya, dan kemudian mengatur lembaran-lembaran itu menjadi struktur tiga dimensi kontinyu, elektrik konduktif, " kata Adamson. "Kesederhanaan pendekatan kami sangat kontras dengan teknik saat ini digunakan untuk mengelupas grafit yang mengandalkan oksidasi agresif atau pencampuran energi tinggi atau sonication - penerapan energi suara untuk partikel terpisah - untuk waktu yang lama. Sesederhana proses kami adalah, tidak ada orang lain yang melaporkannya. Kami membuktikan itu berhasil. "

Segera setelah percobaan awal oleh mahasiswa pascasarjana Steve Woltornist menunjukkan bahwa sesuatu yang istimewa sedang terjadi, Adamson bergabung dengan kolaborator lama Andrey Dobrynin dari Universitas Akron, yang telah membantu memahami termodinamika yang mendorong eksfoliasi. Pekerjaan mereka telah diterbitkan dalam jurnal peer-review American Chemical Society ACS Nano.

Ciri khas graphene yang tampak seperti hambatan bagi banyak orang - ketidakmampuannya - adalah jantung dari penemuan Adamson. Karena tidak larut dalam cairan, Adamson dan timnya menempatkan grafit pada antarmuka air dan minyak, di mana lembaran graphene secara spontan menyebar untuk menutupi antarmuka dan menurunkan energi sistem. Lembaran graphene terperangkap pada antarmuka sebagai lembaran individual, tumpang tindih, dan selanjutnya dapat dikunci di tempat menggunakan polimer atau plastik yang terhubung silang.

Adamson mulai mengeksplorasi cara-cara mengelupas graphene dari grafit pada tahun 2010 dengan hibah dari Angkatan Udara untuk mensintesis komposit konduktif termal. Hal ini diikuti pada tahun 2012 dengan pendanaan dari Hibah Konsep Hibah Awal untuk Penelitian Eksplorasi Nasional (EAGER). Sejak itu ia juga telah menerima hibah $ 1, 2 juta dari NSF Designing Materials untuk merevolusi dan Engineer program Future kami dan $ 50.000 dari program Dana Komersialisasi Teknologi SPARK UConn.

"Dr Adamson bekerja tidak hanya berbicara tentang keunggulan fakultas UConn, tetapi juga untuk aplikasi dunia nyata dari penelitian mereka, " kata Radenka Maric, wakil presiden untuk penelitian di UConn dan UConn Health. "Universitas berkomitmen untuk program seperti SPARK yang memungkinkan fakultas untuk berpikir tentang dampak yang lebih luas dari pekerjaan mereka dan menciptakan produk atau layanan yang akan bermanfaat bagi masyarakat dan ekonomi negara."

Graphene untuk Desalinasi Air

Sementara bahan komposit graphene stabil memiliki banyak potensi kegunaan di bidang beragam seperti pesawat terbang, elektronik, dan bioteknologi, Adamson memilih untuk menerapkan teknologinya untuk meningkatkan metode standar untuk desalinasi air payau. Dengan pendanaan SPARK-nya, ia mengembangkan perangkat yang menggunakan bahan nanocomposite graphene untuk menghilangkan garam dari air melalui proses yang disebut deionisasi kapasitif, atau CDI.

CDI bergantung pada murah, luas permukaan yang tinggi, elektroda berpori untuk menghilangkan garam dari air. Ada dua siklus dalam proses CDI: fase adsorpsi di mana garam terlarut dikeluarkan dari air, dan fase desorpsi di mana garam yang teradsorbsi dilepaskan dari elektroda dengan menghentikan atau membalikkan muatan pada elektroda.

Banyak bahan telah digunakan untuk membuat elektroda, tetapi tidak ada yang terbukti menjadi bahan yang layak untuk komersialisasi skala besar. Adamson dan mitra industrinya percaya bahwa materialnya yang sederhana, murah, dan kuat bisa menjadi teknologi yang akhirnya membawa CDI ke pasar dengan cara yang hebat.

"Produk yang kami kembangkan akan menjadi bahan graphene murah, dengan kinerja yang dioptimalkan sebagai elektroda, yang akan mampu menggantikan lebih mahal, bahan kurang efisien saat ini digunakan dalam CDI, " kata Michael Reeve, salah satu mitra Adamson dan seorang veteran berbagai startup yang sukses.

Tim membentuk startup yang disebut 2-D Material Technologies, dan mereka telah mengajukan permohonan untuk mendapat hibah Riset Inovasi Bisnis Kecil untuk terus mengkomersilkan teknologi Adamson. Akhirnya, mereka berharap untuk bergabung dengan Program Inkubasi Teknologi UConn untuk memajukan konsep mereka ke pasar.

menu
menu