گروهی از پژوهشگران دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا روشی نوآورانه برای تبدیل بطریهای پلاستیکی مصرفشده به گرافیت مصنوعی توسعه دادهاند؛ مادهای که یکی از اجزای کلیدی باتریهای لیتیومیونی به شمار میرود. نتایج این پژوهش نشان میدهد زبالههای پلاستیکی از جنس پلیاتیلن ترفتالات (Polyethylene Terephthalate یا PET) میتوانند به منبعی ارزشمند برای تولید مواد اولیه مورد نیاز فناوریهای ذخیره انرژی تبدیل شوند. نتایج این تحقیق در نشریه دایمونداند ریلیتد متریالز (Diamond and Related Materials) منتشر شده است.
به گزاش ستاد نانو ریاستجمهوری، در این پژوهش دانشمندان موفق شدند ضایعات پلاستیک PET را به گرافیت مصنوعی با ساختاری بسیار منظم تبدیل کنند. بررسیهای ساختاری نشان داد این ماده دارای بلورکهای بزرگ و آرایش بسیار منظم لایههای کربنی است؛ ویژگیای که نشاندهنده کیفیت بالای ساختار بلوری گرافیت تولیدشده است.
به گفته پژوهشگران میزان نظم ساختاری این گرافیت حتی از نمونههای گرافیت طبیعی تجاری نیز بیشتر بوده است. این موضوع اهمیت زیادی دارد زیرا هرچه ساختار بلوری گرافیت منظمتر باشد عملکرد آن بهعنوان ماده آند در باتریهای لیتیومیونی نیز مطلوبتر خواهد بود.
شاکشی سکار نویسنده نخست این پژوهش و دانشجوی دکتری دانشکده مهندسی انرژی و منابع معدنی دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا گفت: بیشتر مردم پس از مصرف یک بطری پلاستیکی آن را تنها یک زباله میبینند، اما نتایج پژوهش ما نشان میدهد همین ماده میتواند به منبعی ارزشمند برای تولید گرافیت تبدیل شود؛ مادهای که نقش اساسی در فناوری باتریهای مدرن دارد.
گرافیت از سوی وزارت انرژی ایالات متحده آمریکا (U.S. Department of Energy) در فهرست مواد معدنی راهبردی قرار گرفته است. این ماده در باتریهای لیتیومیونی بهعنوان آند عمل میکند و وظیفه ذخیره و آزادسازی بار الکتریکی را بر عهده دارد. با افزایش تولید خودروهای برقی، تجهیزات الکترونیکی قابل حمل و سامانههای ذخیره انرژی شبکه برق، تقاضا برای گرافیت با کیفیت باتری نیز بهطور مداوم در حال افزایش است.
در سوی دیگر پلاستیک PET همچنان یکی از پرمصرفترین پلیمرهای جهان محسوب میشود. هرچند بخش قابل توجهی از بطریهای پلاستیکی وارد چرخه بازیافت میشوند اما مقدار زیادی از آنها در نهایت راهی محلهای دفن زباله میشوند یا پس از بازیافتبه محصولاتی با ارزش افزوده پایینتر تبدیل میشوند.
پژوهشگران معتقدند فناوری جدید میتواند همزمان به حل هر دو چالش کمک کند؛ هم کاهش حجم زبالههای پلاستیکی و هم تامین بخشی از مواد اولیه مورد نیاز صنعت باتری.
در این روش پلاستیک خردشده PET با مقدار اندکی اکسید گرافن (Graphene Oxide) مخلوط و سپس تحت یک فرایند حرارتی کنترلشده قرار گرفت. طی این فرایند اتمهای کربن موجود در پلاستیک بهتدریج آرایش خود را تغییر داده و به ساختارهای منظم گرافیتی تبدیل شدند.
شاکشی سکار در اینباره گفت: ما تنها به دنبال یافتن کاربردی برای زبالههای پلاستیکی نبودیم بلکه مادهای با ارزش بالا تولید کردیم که میتواند در پاسخگویی به تقاضای روزافزون برای باتریها و فناوریهای انرژی پاک نقش مهمی ایفا کند.
نتایج آزمایشها نشان داد بهترین عملکرد زمانی حاصل میشود که تنها ۲٫۵ درصد وزنی اکسید گرافن به مخلوط افزوده شود. در این شرایط گرافیت تولیدشده دارای ابعاد بلورکی بزرگتر از گرافیت طبیعی بود و درجه نظم ساختاری بسیار بالایی از خود نشان داد.
پژوهشگران توضیح دادند گروههای عاملی حاوی اکسیژن که در لبه صفحات اکسید گرافن قرار دارند آغاز و رشد جانبی بلورهای گرافیت را تسهیل میکنند. همچنین سطح صفحات اکسید گرافن مانند یک الگوی راهنما عمل میکند و موجب میشود اتمهای کربن هنگام فرایند گرافیتیشدن، بهصورت لایههای منظم روی یکدیگر قرار گیرند.
یکی از تفاوتهای مهم این روش با بسیاری از فناوریهای رایج تولید گرافیت مصنوعی، حذف کاتالیزورهای فلزی است. در روشهای متداول معمولاً از فلزاتی مانند آهن، نیکل یا کبالت برای تسریع فرایند استفاده میشود اما باقیماندن آثار این فلزات در محصول نهایی، نیازمند مراحل اضافی تصفیه شیمیایی است.
در فناوری جدید نقش کاتالیزور توسط افزودنیهای مبتنی بر گرافن ایفا میشود؛ بنابراین هیچگونه آلودگی فلزی وارد محصول نهایی نمیشود.
شاکشی سکار تاکید کرد: با حذف کاتالیزورهای فلزی میتوان گرافیتی خالصتر تولید کرد و در عین حال مصرف مواد شیمیایی و میزان تولید پسماندهای صنعتی را نیز کاهش داد.
به گفته پژوهشگران حذف مراحل جداسازی کاتالیزور علاوه بر سادهتر شدن فرایند تولید میتواند هزینه ساخت مواد اولیه باتری را کاهش داده و اثرات زیستمحیطی تولید گرافیت را نیز کمتر کند.
هرچند برای ارزیابی عملکرد این ماده در باتریهای واقعی و همچنین امکان تولید آن در مقیاس صنعتی، تحقیقات بیشتری لازم است اما نتایج این مطالعه نشان میدهد یکی از فراوانترین پسماندهای جهان میتواند به مادهای ارزشمند برای صنعت ذخیره انرژی تبدیل شود.
پژوهشگران همچنین معتقدند این دستاورد میتواند نگاه رایج به زبالههای پلاستیکی را تغییر دهد. به جای آنکه بطریهای پلاستیکی تنها بهعنوان یک معضل زیستمحیطی شناخته شوند میتوان آنها را منبعی ارزشمند برای تولید مواد پیشرفته مورد نیاز فناوریهای انرژی پاک و باتریهای نسل آینده دانست؛ رویکردی که در صورت توسعه صنعتی، هم به اقتصاد چرخشی کمک خواهد کرد و هم وابستگی به منابع معدنی طبیعی را کاهش میدهد.
انتهای پیام/