Forscher verwandeln Asphalten in Graphen für Verbundwerkstoffe

Asphaltene, ein Nebenprodukt der Erdölförderung, sind ein Abfallstoff mit Potenzial. Wissenschaftler der Rice University sind entschlossen, es zu finden, indem sie die kohlenstoffreiche Ressource in nützliches Graphen umwandeln.

Muhammad Rahman, Assistenzprofessor für Materialwissenschaften und Nanotechnik, verwendet Rice’s einzigartiges Blitz-Joule-Heizverfahren, um Asphaltene sofort in turbostratisches (locker ausgerichtetes) Graphen umzuwandeln und es in Verbundstoffe für thermische, Korrosionsschutz- und 3D-Druckanwendungen zu mischen.

Das Verfahren nutzt gut Material, das ansonsten zur Wiederverwendung als Brennstoff verbrannt oder in Absetzbecken und Deponien entsorgt wird. Die Verwendung zumindest eines Teils der weltweiten Reserven von mehr als 1 Billion Barrel Asphalten als Rohstoff für Graphen wäre auch gut für die Umwelt.

„Asphalten bereitet der Ölindustrie große Kopfschmerzen, und ich denke, es wird großes Interesse daran geben“, sagte Rahman, der das Verfahren als sowohl skalierbaren als auch nachhaltigen Weg zur Reduzierung der Kohlenstoffemissionen aus der Verbrennung von Asphalten bezeichnete.

Rahman ist ein leitender korrespondierender Autor des Artikels in Wissenschaftliche Fortschritte gemeinsam geleitet von dem Rice-Chemiker James Tour, dessen Labor die Flash-Joule-Heizung entwickelt hat, dem Materialwissenschaftler Pulickel Ajayan und Md Golam Kibria, einem Assistenzprofessor für Chemie- und Erdölingenieurwesen an der Universität von Calgary, Kanada.

Asphaltene bestehen bereits zu 70 % bis 80 % aus Kohlenstoff. Das Rice-Labor kombiniert es mit etwa 20 % Ruß, um die Leitfähigkeit zu erhöhen, und lässt es mit einem Stromstoß blitzen, wodurch es in weniger als einer Sekunde in Graphen umgewandelt wird. Andere Elemente im Ausgangsmaterial, einschließlich Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Schwefel, werden als Gase entlüftet.

„Wir versuchen, den Rußgehalt so gering wie möglich zu halten, weil wir die Ausnutzung von Asphalten maximieren wollen“, sagte Rahman.

„Die Regierung übt Druck auf die Erdölindustrie aus, sich darum zu kümmern“, sagte Rice-Doktorand und Co-Hauptautor MASR Saadi. „Es sind Milliarden von Barrel Asphalten verfügbar, also begannen wir mit der Arbeit an diesem Projekt in erster Linie, um zu sehen, ob wir Kohlenstofffasern herstellen könnten.

In der Gewissheit, dass der Prozess von Tour bei Asphalten genauso gut funktioniert wie bei verschiedenen anderen Rohstoffen, einschließlich Kunststoff, Elektroschrott, ReifenKohleflugasche und sogar Autoteile machten sich die Forscher daran, Dinge mit ihrem Graphen herzustellen.

Saadi, der mit Rahman und Ajayan zusammenarbeitet, mischte das Graphen in Verbundwerkstoffe und dann in Polymertinten, die für 3D-Drucker gebunden sind. „Wir haben die Tintenrheologie optimiert, um zu zeigen, dass sie druckbar ist“, sagte er und stellte fest, dass die Tinten nicht mehr als 10 % Graphen enthalten. Mechanische Tests von gedruckten Objekten stehen bevor, sagte er.

Rice-Doktorand Paul Advincula, ein Mitglied des Tour-Labors, ist Co-Hauptautor der Veröffentlichung.