Como fazer grafeno pristino a partir do lixo em um flash

Um novo processo de baixo custo cria quantidades multigramas de grafeno de alta qualidade desde quase todos os materiais à base de carbono. Ao criar o alótropo de carbono 2-D de maneira sustentável em larga escala, o método pode levar à adição de grafeno ao concreto ou compósitos para fortalecer esses materiais. Como resultado, menos desses materiais de construção seriam necessários, reduzindo sua pegada de carbono geral, explica James M. Tour, da Rice University, que foi um dos líderes do projeto.

Embora o grafeno possa ser produzido de várias maneiras, como por síntese orgânica, deposição de vapor químico ou esfoliação de grafite, esses métodos não produzem grandes quantidades de grafeno de alta qualidade ou exigem produtos químicos agressivos ou processos de alta energia. Uma equipe liderada por Tour, juntamente com Boris I. Yakobson e Rouzbeh Shahsavari, da Rice, descobriu que poderia usar o aquecimento por flash Joule, um processo de baixo custo e energeticamente eficiente, para transformar carvão, resíduos de alimentos e plástico em quantidades multigramas de grafeno de alta qualidade em menos de 1 s (Nature 2020, DOI: 10.1038/s41586-020-1938-0).

Tour diz que Duy X. Luong, um estudante de graduação no laboratório de Tour, leu um artigo sobre o uso do aquecimento por flash Joule para fazer diferentes fases dos materiais e decidiu ver o que faria com o negro de fumo. “Houve um pouco de esforço, um pouco de flash”, diz Tour, acrescentando que a análise espectroscópica de Raman do material preto resultante revelou que Luong transformou o negro de fumo em grafeno.

“Percebi imediatamente o valor”, diz Tour sobre a descoberta. Ele diz que percebeu que, se o processo funcionasse com negro de fumo - que possui uma estrutura bastante diferente do grafeno - provavelmente funcionaria com qualquer material de carbono. Eles tentaram o processo com êxito de todo tipo de coisas, incluindo cascas de pistache, cascas de batata, pneus de borracha e usaram plástico de tereftalato de polietileno. “Com a otimização, você pode criar o grafeno mais limpo que já foi produzido”, diz Tour.

O processo envolve compactar levemente o material à base de carbono dentro de um tubo de quartzo ou cerâmica entre dois eletrodos. Este aparelho é então submetido a uma descarga elétrica de alta voltagem de um banco de capacitores, que aquece o material carbonáceo a temperaturas superiores a 3.000 K em menos de 1 s. O processo converte o carbono amorfo em grafeno enquanto todos os outros produtos químicos escapam como material volátil. Como o grafeno é produzido tão rapidamente, suas camadas não têm tempo para se alinhar por meio eletrostático, facilitando a extração de folhas de grafeno individuais.

No artigo, os pesquisadores relatam sua maior síntese de grafeno como 1 g por flash, mas Tour diz que subsequentemente fizeram 5 g por flash no laboratório e têm uma concessão do Departamento de Energia dos EUA para escalonar até 100 g por flash.

Jiaxing Huang, professor da Northwestern University que estuda o processamento de materiais, observa que muitas aplicações possíveis de grafeno exigiriam material de alta qualidade produzido de maneira escalonável e sustentável, o que ele diz ser um desafio. “Muitas aplicações demonstradas de grafeno estão enfrentando a ‘vala da desilusão’ por causa desses desafios na síntese.” A equipe de Rice conseguiu superar os desafios, diz ele. “É um lindo trabalho.”