Graphen là vật liệu nano độc đáo của tương lai, có khả năng sẽ được ứng dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị điện tử. Với diện tích bề mặt lớn và độ dẫn điện cao, graphen là vật liệu lý tưởng để sử dụng làm điện cực trong các ắc quy và siêu tụ – những thiết bị lưu trữ năng lượng có khả năng cung cấp năng lượng nhanh với hiệu suất cao. Siêu tụ nạp và phóng điện nhanh hơn ắc quy vì chúng lưu trữ năng lượng ở dạng các điện tích di chuyển nhanh trên bề mặt điện cực. Hiện tại, các siêu tụ đang được sử dụng trong đèn chớp phóng điện nhanh và các hệ thống phanh cho xe buýt.
Tuy các thiết bị thí nghiệm sử dụng điện cực bằng vật liệu graphen có khả năng lưu trữ nhiều năng lượng, nhưng các siêu tụ được sử dụng trên thực tế thường chỉ có các điện cực bằng cacbon hoạt tính, vì chi phí sản xuất graphen rất cao so với cacbon hoạt tính.
Nay các nhà khoa học tại Đại học Tổng hợp Alberta (Mỹ) đã biểu thị quá trình với chi phí thấp để chuyển hóa phế thải nông nghiệp thành các vật liệu nano tương tự như graphen, có khả năng sử dụng trong các thiết bị lưu trữ năng lượng.
Một phần mục đích ban đầu của chương trình nghiên cứu này là tìm cách sử dụng phế thải cây trồng làm nguyên liệu sản xuất các vật liệu trên quy mô thương mại. Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm chuyển hóa phế thải của cây gai dầu thành vật liệu nano cacbon có tính chất tương tự như graphen nhưng với giá thành thấp hơn nhiều. Cây gai dầu thường bị lạm dụng để sản xuất cần sa, tuy nhiên người ta cũng trồng cây này để lấy sợi sản xuất các sản phẩm như dây thừng, quần áo, hoặc sản xuất dầu và chất dẻo. Cây gai dầu sử dụng cho các ứng dụng công nghiệp thường có hàm lượng thấp các chất có thể gây nghiện. Loại cây này mọc nhanh ở nhiều vùng khí hậu khác nhau mà không cần bón phân hoặc phun thuốc, vì vậy sản phẩm làm từ chúng tương đối rẻ.
Các nhà khoa học tại Đại học Tổng hợp Alberta đã tập trung nghiên cứu lớp vỏ của cây gai dầu, đây là thành phần mà thường bị đốt hoặc vứt bỏ trong quá trình sản xuất các sản phẩm từ loại cây này. Theo các nhà nghiên cứu, vỏ cây gai dầu là một composit nano bao gồm các lớp lignin, hemixeluloza và xenluloza dạng tinh thể. Nếu được xử lý thích hợp, lớp vỏ này sẽ tách thành các tấm nano tương tự như graphen.
Các nhà nghiên cứu đã bắt đầu quá trình xử lý bằng cách nung vỏ cây ở 180 oC trong 24 giờ. Trong bước này, lignin và hemixenluloza bị phân hủy, còn xenluloza tinh thể bắt đầu bị cacbon hóa. Sau đó, các nhà nghiên cứu sử dụng kali hydroxit để xử lý vật liệu đã cacbon hóa và tăng nhiệt độ lên 700-800 oC, khiến cho vật liệu này tróc thành các tấm nano với nhiều lỗ cỡ 2-5 nm. Vật liệu mỏng và xốp này có thể tạo thành đường đi để các điện tích di chuyển vào và ra một cách nhanh chóng, đây là yếu tố quan trọng cho quá trình nạp điện và phóng điện của siêu tụ.
Nhóm nghiên cứu đã chế tạo siêu tụ với các tấm nano như trên làm điện cực và chất lỏng ion làm chất điện ly. Kết quả thử nghiệm cho thấy, đặc điểm nổi bật của dụng cụ mới này là mật độ công suất tối đa rất cao – đây là thước đo công suất được tạo ra từ một đơn vị khối lượng của vật liệu. Ở 60 oC, vật liệu mới này tạo ra 49 kW/kg, trong khi đó cacbon hoạt tính được sử dụng làm điện cực chỉ tạo ra 17 kW/kg.
Các chuyên gia trong ngành cho rằng vật liệu làm từ cây gai dầu là vật liệu thay thế rất có triển vọng đối với graphen. Tuy nhiên, việc tìm ra quy trình sản xuất có khả năng nâng cấp lên quy mô lớn sẽ là yếu tố quyết định nếu muốn đưa vật liệu mới này từ phòng thí nghiệm ra thị trường.
Hoahocngaynay.com
Nguồn: Tạp chí Công nghiệp Hóa chất/Chemical & Engineering News
