گرافن در سال های اخیر به یکی از پرکاربرد ترین مواد نانو متری در صنایع فناور مختلف نظیر صنعت انرژی، الکترونیک، خودروسازی و…. تبدیل شده است. اما یکی از مشکلات مرتبط با این نانو ماده روش تولید آن می باشد که پیچیده و هزینه بر می باشند. اخیرا، توجه محققین به تولید گرافن با استفاده از مواد زیستی و بازیافتی حاوی کربن به عنوان ماده اولیه جلب شده است که علاوه بر کاهش هزینه تولید مشکلات زیست محیطی تولید این ماده به حداقل ممکن می رسد. در این مقاله به بررسی مطالعه ای پژوهشی می پردازیم که در آن با استفاده از سلولز بعنوان منبع غنی کربن و به کمک نانو ذرات آهن دستیابی به گرافن امکان پذیر شده است.

مقاله پیشنهادی: معرفی گرافن

روش گرافیتازاسیون کاتالیستی به کمک نانو ذرات آهن

در مقاله قبلی در مورد گرافن، انواع آن، ویژگی ها ، کاربرد ها و روش های مرسوم تولید این ماده بطور مفصل توضیح داده شد. همانطور که گفته شد، گرافن به دلیل برخورداری از خواص منحصر بفرد توجه زیادی از صنایع پیشرفته را به سمت خود جلب کرده است و همین امر باعث شده تا در سال های اخیر روش های گوناگونی برای تولید این ماده در مقیاس های ازمایشگاهی و صنعتی مورد استفاده قرار گیرند. اما ایرادی که به روش های مرسوم تولید این ماده (مانند روش CVD) وارد شده این است که این روش ها علاوه بر هزینه بر بودن از مواد اولیه ای مانند استیلن (Acetylene) و متان استفاده می کنند که جزو مواد نفتی بوده و دائمی و تجدید پذیر نمی باشند.

از این رو، بکارگیری روش های سبز (روش های سبز به روش هایی اتلاق می شود که هدف آنها کاهش و یا حذف مواد اولیه مضر و گرانقیمت، انرژی مصرفی و پسماند فرآیند تولید می باشد تا بدین ترتیب حفاظت از محیط زیست و همچنین کاهش هزینه های تولید امکان پذیر گردد) در دستور کار قرار گرفت.

روش گرافیتازاسیون کاتالیستی فرآیندی است که پژوهشگران در سال جاری 2023 از آن استفاده کردند تا با استفاده از سلولز بعنوان ماده اولیه زیستی و تجدید پذیر به گرافن دست یابند. سلولز در تمامی مواد زیستی موجود در طبیعت مانند چوب، پسماند های چوبی، انواع گیاهان (حتی گیاهانی که در محیط های آبی رشد میکنند)، پسماند های حیوانی و… به وفور یافت می شود.

گرافیتازاسیون به فرآیندی گفته می شود که در آن کربن غیر گرافیتی (کربن آمورف) را تحت دمایی در بازه 2500 تا 3300 درجه سانتی گراد قرار داده تا تبدیل به کربن گرافیتی شود. در میان مواد زیستی و نجدید پذیر حاوی کربن، سلولز فراوان ترین منبع تجدید پذیر حاوی کربن روی کره زمین می باشد که کربن موجود در آن قابل تبدیل شدن به کربن گرافیتی نمی باشد؛ به عبارت دیگر اگر از سلولز در فرآیند گرافیتازاسیون استفاده گردد کربن آمورف موجود در آن تبدیل به گرافیت نخواهد شد. با توجه به این موضوع و همچنین اهمیت استفاده از این ماده در تولید گرافن، محققین به این نتیجه رسیدند که استفاده از ماده کاتالیستی مانند آهن در فرآیند گرافیتازاسیون باعث می شود که کربن موجود در سلولز در دماهایی کمتر از 2000 درجه سانتی گراد قابلیت تبدیل شدن به کربن گرافیتی را دارا شود. در میان کاتالیست های مختلف (عناصر واسطه) آهن از کمترین میزان سمیت، بیشترین فراوانی و بیشترین میزان فعالیت کاتالیستی برخوردار می باشد که آن را به گزینه ای مناسب برای استفاده در گرافیتازاسیون سلولز تبدیل کرده است.

در این تحقیق با تکیه بر فناوری نانو، پژوهشگران از نانو ذرات آهن بعنوان ماده کاتالیست در روش گرافیتازاسیون کاتالیستی استفاده کردند تا کربن آمورف موجود در سلولز را به گرافن تبدیل نمایند. لازم به ذکر است که فرآیند گرافیتازاسیون سلولز در این تحقیق در سه دمای 1000، 1400 و 1800 درجه سانتی گراد صورت گرفت. نتایج آزمایشات نشان دادند که حضور نانو ذرات آهن باعث می شود تا کربن آمورف موجود در سلولز به گرافن چند لایه تبدیل گردد. علاوه بر این موضوع مشخص شد که به کمک نانو ذرات آهن می توان سلولز را در دماهایی در بازه 1000 تا 1800 درجه سانتی گراد به گرافن تبدیل نمود.

کاهش دمای گرافیتازاسیون از 2500 به 1000 درجه سانتی گراد تاثیر به سزایی در کاهش مصرف انرژی و هزینه های تولید دارد. بررسی نتایج کلی نشان داد که از میان دو عامل دما و ماده کاتالیستی، حضور نانو ذرات آهن (عامل ماده کاتالیستی) نقش مهم و تعیین کننده در تبدیل کربن امورف سلولز به گرافن را دارد. از این رو، تاثیر مقدار نانو ذرات آهن در فرآیند تولید گرافن نیز بررسی شد. نتایج به دست آمده نشان دادند که افزایش مقدار نانو ذرات آهن منجر به افزایش تبدیل کربن آمورف موجود در سلولز به گرافن چند لایه می گردد. نکته دیگری که از نتایج آزمایشات حاصل شد این است که در این روش می توان با کنترل دمای کاری و سایز نانو ذرات آهن تعداد لایه های گرافن تولید شده را کنترل نمود به طوریکه با افزایش دما از 1000 به 1800 درجه سانتی گراد تعداد لایه های گرافن قرار گرفته رو یکدیگر افزایش می یابد. همچنین افزایش سایز نانو ذرات آهن از 23 به 33 نانومتر افزایش تعداد لایه های گرافن تولید شده را به دنبال دارد.

مکانیزم تشکیل گرافن در روش گرافیتازاسیون کاتالیستی

همانطور که در بالا گفته شد سلولز ماده ای است که قابلیت گرافیته شدن حتی در دماهای بالا را نداشته و کربن آمورف موجود در آن تبدیل به گرافن نمی گردد. برای توضیح چگونگی تشکیل گرافن از سلولز در حضور نانو ذرات آهن، مکانیزم ذوب – رسوب کربن معرفی شد. بر اساس این مکانیزم، کربن در حضور نانو ذرات آهن و تحت دمای بالا شروع به ذوب شدن کرده و اتم های کربن در حین سرد شدن روی سطح نانو ذرات آهن بصورت صفحات گرافنی رسوب کرده و گرافن چند لایه را تشکیل می دهند.

حضور نانو ذرات آهن و نقش کاتالیستی آنها در این فرآیند تاثیر مهمی بر ذوب شدن کربن آمورف می گذارد. در شکل الکترونی دو عنصر کربن و آهن الکترون های جفت نشده وجود دارد که این امر موجب می شود تا میل الکترونی (Electron Affinity – میل الکترونی به مقدار انرژی آزاد شده در حین انتقال الکترون از یک اتم به اتم خنثی و تبدیل آن به یون منفی گفته می شود) بالایی میان اتم های کربن و آهن موجود در سطح نان ذرات ایجاد شود. در نتیجه این امر، کربن آمورف موجود در سلولز تحت حرارت دهی در دمای 1000 درجه سانتی گراد از حالت جامد به مایع تغییر فاز داده و در نهایت طی فرآیند رسوبی تبدیل به صفحات گرافنی می شود. صفحات گرافنی اولیه رسوب یافته در سطح نانو ذرات آهن (جوانه های گرافنی) با افزایش بیشتر دما شروع به رشد کرده و لایه های گرافنی بیشتری روی هم رسوب می کنند.

بنابراین با کاهش یا افزایش دمای فرآیند می توان تعداد لایه های گرافنی را کاهش یا افزایش داد. نتایجی که در این مطالعه به دست آمد نشان دادند که خلوص نانو ذرات آهن نیز نقش بسزایی که در تشکیل شدن گرافن دارند بطوریکه هرچه خلوص آنها بیشتر باشد فعالیت شیمیایی نانو ذرات آهن بیشتر بوده و فرآیند تشکیل گرافن با بازدهی بالاتری صورت می گیرد.

نتایجی که از این تحقیق بدست آمد نشان دادند که می توان گرافن را از مواد زیستی تجدید پذیر و فراوان موجود در طبیعت تولید نمود بطوریکه همانند روش های مرسوم نیاز به تجهیزات پیچیده، شرایط کاری پیچیده و مواد اولیه گرانقیمت و تجدید ناپذیر نداشته و هزینه تولید نیز پایین تر است.

منابع:

1. https://doi.org/10.1002/cssc.202201864
2. https://doi.org/10.1021/acsanm.2c05312