Il dottorando Kailash Arole usa l'esfoliazione elettrochimica per separare il grafene dal coke di petrolio. Credito:Texas A&M Engineering
I ricercatori della Texas A&M University e della ExxonMobil stanno sviluppando un metodo per rielaborare il coke di petrolio, un sottoprodotto della raffinazione del petrolio greggio, in un'alternativa sostenibile e di alto valore. Utilizzando un processo chimico chiamato esfoliazione elettrochimica, hanno convertito il coke di petrolio in grafene, un nanomateriale con applicazioni nell'elettronica, nella medicina e nell'accumulo di energia.
Questo studio è stato pubblicato in npj 2D Materials and Applications .
Il petrolio greggio è una miscela di molti idrocarburi diversi, con porzioni leggere che vanno a gas naturale mentre le porzioni più pesanti formano materiali viscosi o addirittura solidi. Uno dei tanti prodotti che deriva dalla raffinazione del petrolio greggio è il coke di petrolio solido.
Sebbene ci siano molti modi per utilizzare il coke di petrolio, come gli elettrodi per la produzione di acciaio e alluminio, questo processo rilascia emissioni di carbonio dannose. Per questo motivo, l'industria è alla ricerca di materiali a basse emissioni e di alto valore che possano essere derivati dal petrolio greggio.
Una possibile soluzione è riproporre il coke di petrolio ricco di carbonio per generare grafene, un versatile materiale simile a un foglio composto da un singolo strato di atomi di carbonio. Convenzionalmente, il grafene viene esfoliato dalla grafite. I ricercatori hanno studiato se eventuali processi chimici faciliterebbero la produzione di grafene da materiali derivati da combustibili fossili.
"Sappiamo che il coke di petrolio contiene materiali simili al grafene", ha affermato il dottor Micah Green, professore presso il Dipartimento di ingegneria chimica Artie McFerrin presso la Texas A&M. "La nostra sfida era isolare il grafene dal materiale di partenza".
Per svolgere questo compito, i ricercatori si sono rivolti all'elettrochimica. Hanno messo il coke in una soluzione elettrolitica con un elettrodo funzionante e un controelettrodo. Quando hanno applicato la tensione all'elettrodo di lavoro, le specie ioniche o gli ioni negativi dell'elettrolita sono migrati tra i fogli di grafene in un processo chiamato intercalazione.
"Pensa alla coca cola come a un libro e al grafene come a ogni singolo foglio di carta", ha detto Green. "Quando il libro è disteso sul dorso, le pagine si aprono a ventaglio e hanno più spazi vuoti tra di loro. Il processo di esfoliazione elettrochimica è simile".
Quando il coke si espande, il grafene si separa. Gli ioni negativi vengono creati e si spostano negli spazi tra i fogli di grafene, completando il sottoprodotto del coke e la separazione del grafene.
Molte applicazioni del grafene richiedono un'elevata conduttività, ma non era noto se il grafene del coke di petrolio potesse raggiungere tali prestazioni. Il grafene creato dal coke aveva una conduttività di 50 siemens per metro rispetto a una tipica batteria agli ioni di litio, la cui conduttività elettrica è di circa 150-160 siemens per metro. Con un trattamento termico chiamato ricottura, i ricercatori potrebbero aumentare la conduttività ancora più in alto, rendendola paragonabile agli elettrodi nelle batterie agli ioni di litio.
Con questi risultati, le applicazioni del grafene che sono state sviluppate per anni potrebbero concretizzarsi.
"Il futuro dello scale-up dei nanomateriali è direttamente legato ai flussi esistenti nell'industria petrolchimica e prevedo molti altri casi in cui le sostanze chimiche derivate dal petrolio vengono convertite in materiali di carbonio di alto valore come il grafene", ha affermato Green. + Esplora ulteriormente
