Графенът е изключително полезен материал за създаване на батерии, катализатори и електронни устройства. Производството му обаче изисква температури до 900°C, което ограничава енергийната ефективност и затруднява структурния контрол. Едно ново изследване преодолява тази дългогодишна температурна бариера – което може да направи производството на графен по-практично.
За първи път успешно са синтезирани материали на основата на графен при температури до 300°C – дело на съвместен изследователски екип от университета Тохоку и университета Куин Мери в Лондон. Учените постигат това, като използват ацетиленов газ върху повърхност от цериев оксид (CeO₂).
Как цериевият оксид променя реакцията
Ключът се крие във взаимодействието между ацетилена и цериевия оксид. Тъй като цериевият оксид лесно образува кислородни ваканции на повърхността си, ацетиленът започва да се разгражда при температури до 113°C.
Когато температурата достигне 300°C, ацетиленът извлича кислород от катализатора, генерирайки допълнителни кислородни ваканции, които служат като активни каталитични места за растежа на графена.
„По принцип контролирането на структурата на материалите на основата на графен по време на високотемпературно химическо отлагане от пари (CVD) е предизвикателство, защото процесът протича твърде бързо“, обяснява доцент Такехару Йошии, съавтор от университета Тохоку.
„Чрез преминаване към високореактивен ацетилен и сдвояването му с цериев оксид, ние установихме нискотемпературен процес на растеж, който позволява много по-добър структурен контрол“, пояснява той.
Температурата управлява крайния материал
Чрез просто регулиране на температурата на CVD, екипът постига безпрецедентен контрол върху крайната форма на материала. При 300°C учените са произвели синьо флуоресциращи квантови точки от графен.
Повишаването на температурата до 450°C води до агрегиран графен, докато вдигането на температурата до 600°C – до създаване на порест графен с голяма повърхностна площ.
Този метод обещава устойчиво рециклиране на ресурси, тъй като ацетиленът може да се добива от промишлени отпадъчни газове, биомаса и рециклирани пластмаси.
„Нашите открития предоставят проектен план за нискоенергийно, екологично производство на въглерод“, казва професор Хиротомо Нишихара, съавтор от Института за изследване на материалите (WPI-AIMR).
„Вместо да използваме излишни въглеводороди или нискокачествени въглеродни ресурси като гориво, сега можем да се стремим да ги „надградим“ във висококачествени функционални материали чрез рециклиране“, допълва той.
Път към практическо рециклиране
Проучването разбива дългогодишната „високотемпературна бариера“ в производството на графен.
Чрез просто регулиране на температурата на реакцията изследователите демонстрират прецизен контрол за създаване на напълно различни видове въглеродни материали, които биха могли да се прилагат в различни технологии.
Изследователският екип планира да продължи тестовете, за да разшири полезността и мащабируемостта на тази технология и да се доближи до практическото ѝ приложение.
