Кальций как инновационный и эффективный катализатор синтеза графена

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 21492 (2022) Цитировать эту статью

1743 Доступа

1 Цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

При пиролизе лигноцеллюлозной биомассы (твердого углерода) образуется бедный графитовый биоуголь. В этом исследовании наноструктурированные биоугли были получены из микрокристаллической целлюлозы с использованием кальция в качестве нетрадиционного катализатора. Кальций в изобилии, экологически безопасен и широко доступен. Графитизацию целлюлозы, пропитанной кальцием, проводили при температуре 1800°С, температуре ниже 2000°С, при которой обычно происходит графитизация. Рентгенографический анализ, рамановская спектроскопия, ПЭМ высокого разрешения вместе с разработанным собственным численным инструментом позволяют количественно определять графеновые полосы в биоуглях. Непропитанный целлюлозный биоуголь состоял из коротких и плохо уложенных графеновых полос. Пропитка 2 мас.% кальция привела к превращению исходной структуры в хорошо организованную и менее дефектную графеноподобную. Полученные графеноподобные структуры состояли из десятков уложенных друг на друга графеновых полос с размером кристаллитов до 20 нм и средним межслоевым расстоянием 0,345 нм, близким к эталонному значению стандартного гексагонального графита (0,3354 нм). Увеличение концентрации кальция не привело к значительному увеличению размеров кристаллитов графеноподобных материалов, но резко увеличило их скорость. Наши результаты предлагают механизм и дают новое представление о синтезе графеноподобных материалов из биологического сырья с использованием кальция, где литература сосредоточена на переходных металлах, таких как железо и никель, среди других. Снижение температуры графитизации ниже 2000 °C должно снизить себестоимость производства, а также воздействие на окружающую среду термического синтеза графеноподобных материалов с использованием биомассы. Это открытие должно стимулировать дальнейшие исследования в этой области и расширить перспективы применения.

Графен — это двумерный углеродный материал с толщиной одного атомного слоя1. Листы графена являются предшественниками углеродных нанотрубок, фуллерена, углеродных волокон, технического углерода или графита2,3,4. В зависимости от таких характеристик, как длина и ориентация листов графена, могут развиваться различные свойства, среди которых электропроводность, механическое или термическое сопротивление5,6. Таким образом, графен считается высокоэффективным материалом, перспективным для широкого спектра применений, таких как батареи, накопители энергии, электроника и биология4,7,8,9,10,11.

В настоящее время графен можно производить из ископаемого сырья как нисходящим, так и восходящим способами3,12,13,14,15,16. Нисходящие процессы включают механическое или химическое отшелушивание извлеченного графита для изоляции графеновых листов. Восходящие процессы включают синтез графена из газообразных углеводородных предшественников. Преимущества и недостатки каждого процесса ранее обсуждались в литературе17,18. Почти все процессы используют источники ископаемого углерода и требуют высоких энергозатрат. Управление промышленным и более экологически чистым производством однородного и бездефектного графена является одной из основных задач по дальнейшему коммерческому использованию графена. Производство графеноподобных материалов из биоресурсов (биомасса, биоотходы…) откроет путь к новым материалам с выдающимися свойствами. Этот подход, в отличие от стандартных технологий производства графена с использованием химикатов и различных растворителей, позволит снизить воздействие синтеза графеноподобных материалов на окружающую среду.

Целлюлоза — возобновляемый ресурс и самый распространенный органический полимер на Земле. Целлюлоза используется во всем мире для производства бумаги и широко доступна по низкой цене. Его структура также относительно однородна среди лигноцеллюлозной биомассы по сравнению с лигнином или гемицеллюлозой. Основным подходом к синтезу графеноподобных материалов из биомассы является пиролиз с получением графеноподобных биоуглей. Целлюлоза состоит из длинной цепи молекул D-глюкозы, состоящей исключительно из атомов углерода sp3. Во время пиролиза целлюлозы углероды sp3 претерпевают множественные и сложные химические перегруппировки, превращаясь в углероды sp2 и образуя ароматические кольца19. По этой причине целлюлоза не является подходящим материалом для графитации.