„Blitzschnell Müll in einen Schatz verwandeln“

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Forscher der Rice University machen wertvolles Graphen aus Abfall

Ein neues Verfahren, das im Labor des Chemikers James Tour an der Rice University, HoustonTexas eingeführt wurde, kann große Mengen fast jeder beliebigen Kohlenstoffquelle in wertvolle Graphenflocken verwandeln. Das Verfahren ist schnell und billig. Prof. Tour: „MIt der ‚Blitz-Graphen‘-Technik können wir eine Tonne Kohle, Lebensmittelabfälle oder Plastik zu einem Bruchteil der Kosten in Graphen umwandeln, im Vergleich zu anderen Graphen-Herstellungsverfahren.“

Plastikmüll - Foto © Agentur Zukunft für Solarify

Plastikmüll – Foto © Agentur Zukunft für Solarify

Das sei eine große Sache“, schwärmt der Forscher. „Die Welt wirft 30 bis 40 % aller Lebensmittel weg, weil sie schlecht werden, und Kunststoffabfälle sind weltweit ein riesiges  Problem. Wir haben bereits bewiesen, dass alle festen kohlenstoffbasierten Stoffe, einschließlich gemischter Kunststoffabfälle und Gummireifen, in Graphen umgewandelt werden können“.

Wie in Nature berichtet, wird Blitz-Graphen in 10 Millisekunden durch Erhitzen kohlenstoffhaltiger Materialien auf 3.000 Kelvin (etwa 5.000 ° F, oder 2.760 ° C) hergestellt. Das Ausgangsmaterial kann fast jedes mit Kohlenstoffgehalt sein. Lebensmittel- oder Kunststoffabfälle, Petrolkoks, Kohle, Holzabfälle und Biokohle seien die besten Kandidaten, so der Forscher. „Mit dem derzeitigen kommerziellen Preis von Graphen, der zwischen 67.000 und 200.000 Dollar pro Tonne liegt, sehen die kommerziellen Aussichten für dieses Verfahren hervorragend aus“.

Nur 0,1% des Blitz-Graphens im Zement reichten zum Binden von Beton aus, damit könne dessen Klimaschädlichkeit um ein Drittel verringert werden. Bei der Zement-Herstellung werden 8% des Welt-Kohlendioxids emittiert.

„Durch die Verstärkung von Beton mit Graphen könnten wir weniger Beton zum Bauen verwenden. Herstellung und Transport würden weniger Kosten verursachen. Im Wesentlichen fangen wir Treibhausgase wie Kohlendioxid und Methan ein, die bei der Deponierung von Nahrungsabfällen freigesetzt werden. Wir wandeln diese Kohlenstoffe in Graphen um und mischen dieses Graphen dem Beton bei, wodurch die Menge des bei der Betonherstellung erzeugten Kohlendioxids verringert wird. Es ist ein Win-Win-Umweltszenario mit Graphen“, schwärmt der Chemiker.

„Müll in einen Schatz zu verwandeln, ist der Schlüssel zur Kreislaufwirtschaft“, sagt Rouzbeh Shahsavari, Assistenzprofessor für Bau- und Umwelttechnik sowie für Materialwissenschaft und Nanotechnik der Rice-University und Präsident von C-Crete Technologies. „Hier fungiert Graphen sowohl als 2D-Schablone als auch als Verstärkungsmittel, das die Zementhydratation und die anschließende Festigkeitsentwicklung steuert.

In der Vergangenheit, so Tour, „war Graphen zu teuer, um es mit diesen Materialien zu verwenden. Das Blitz-Verfahren wird den Preis erheblich senken, während es uns gleichzeitig hilft, den Abfall besser zu entsorgen. Mit unserer Methode wird dieser Kohlenstoff fixiert, er wird nicht wieder in die Luft gelangen.“

Der Prozess passt gut zu der kürzlich von Rice angekündigten Carbon-Hub-Initiative, die eine Zukunft ohne Emissionen schaffen soll, bei der Kohlenwasserstoffe aus Öl und Gas zur Erzeugung von Wasserstoffgas und festem Kohlenstoff ohne Kohlendioxidemissionen verwendet werden. Der Blitz-Graphen-Prozess kann diesen festen Kohlenstoff in Graphen für Beton, Asphalt, Gebäude, Autos, Kleidung und mehr umwandeln, so Tour.

Noch besser: Das Verfahren erzeuge „turbostratisches“ Graphen, mit falsch ausgerichteten Schichten, die leicht zu trennen seien. „A-B-gestapeltes Graphen aus anderen Prozessen, wie z.B. der Abblätterung von Graphit, lässt sich nur sehr schwer auseinanderziehen“, erklärt Tour. „Die Schichten haften stark aneinander. Aber turbostratisches Graphen ist viel einfacher zu verarbeiten, weil die Haftung zwischen den Schichten viel geringer ist. Sie lösen sich beim Einmischen in Verbundwerkstoffe einfach auf. „Das ist wichtig, denn jetzt können wir jede dieser einatomigen Schichten dazu bringen, mit einem Wirtskomposit zu interagieren“.

Im Labor Tours wurde etwa auch festgestellt, dass sich gebrauchter Kaffeesatz in unberührte, einschichtige Graphenschichten verwandeln kann. Großvolumige Verbundwerkstoffe aus Graphen mit Kunststoff, Metallen, Sperrholz, Beton und anderen Baumaterialien wären nach Ansicht der Forscher, die bereits graphenverstärkten Beton und Kunststoff testen, ein wichtiger Markt für Blitz-Graphen.

Der Blitz-Prozess findet in einem speziell dafür entwickelten Reaktor statt, der das Material schnell erhitzt und alle kohlenstofffreien Elemente als Gas ausstößt. „Wenn dieser Prozess industrialisiert wird, können Elemente wie Sauerstoff und Stickstoff, die den Blitz-Reaktor verlassen, alle als kleine Moleküle eingefangen werden, weil sie einen Wert haben“, so der Forscher.

Im Übrigen erzeuge der Blitz-Prozess nur sehr wenig überschüssige Wärme und kanalisiere fast die gesamte Energie auf das Produkt. „Sie können Ihren Finger einige Sekunden später direkt auf den Behälter legen“, sagt Tour. „Und denken Sie daran, dass dies fast dreimal so heiß ist wie die Öfen für die chemische Gasphasenabscheidung, die wir früher zur Herstellung von Graphen verwendet haben. Aber beim Blitz-Prozess wird die Wärme im Kohlenstoffmaterial konzentriert und nicht in einem umgebenden Reaktor.

„Die ganze überschüssige Energie kommt als Licht heraus, in einem sehr hellen Blitz, und da es keine Lösungsmittel gibt, ist es ein superreiner Prozess“. Luong erwartete nicht, Graphen zu finden, als er das erste Gerät in kleinem Maßstab zündete, um neue Materialphasen zu finden, beginnend mit einer Rußprobe. „Dies begann, als ich einen Blick auf eine wissenschaftliche Arbeit warf, in der es um die Blitz-Joule-Erwärmung zur Herstellung von phasenverändernden Nanopartikeln aus Metallen ging“, erinnert er sich. Aber Luong erkannte schnell, dass das Verfahren nichts anderes als hochwertiges Graphen produzierte.

Simulationen auf atomarer Ebene durch die Rice-Forscherin und Mitautorin Ksenia Bets bestätigten, dass die Temperatur der Schlüssel für die schnelle Bildung des Materials ist. „Wir beschleunigen im Wesentlichen den langsamen geologischen Prozess, durch den sich Kohlenstoff in seinen Grundzustand, den Graphit, entwickelt“, erklärt Bets. „Stark beschleunigt durch einen Hitzestachel, wird er auch im richtigen Moment, im Graphenstadium, gestoppt. „Es ist erstaunlich, wie modernste Computersimulationen, die für die Beobachtung solcher Kinetiken notorisch langsam sind, die Details von hochtemperaturmodulierten Atombewegungen und Transformationen aufdecken“, so Bets.

Tour hofft, dass er in zwei Jahren pro Tag ein Kilogramm (2,2 Pfund) Blitz-Graphen produzieren kann, beginnend mit einem kürzlich vom Energieministerium finanzierten Projekt zur Umwandlung von Kohle aus den USA. „Dies könnte einen Absatzmarkt für Kohle in großem Maßstab schaffen, indem sie kostengünstig in ein viel höherwertiges Baumaterial umgewandelt wird“, so Tour.

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