همه چیز درباره تبدیل بطری های پلاستیکی به گرافیت

به گزارش مجله خبری نگار، بطری‌های پلاستیکی PET با کمک اکسید گرافن به گرافیت مصنوعی باکیفیت تبدیل شدند.

گرافیت تولیدشده حتی از گرافیت طبیعی نیز ساختار بلوری بهتری نشان داد.

این فناوری می‌تواند هزینه تولید باتری، آلودگی ناشی از بازیافت پلاستیک را کاهش دهد.

تبدیل بطری پلاستیکی به گرافیت؛ راهکاری نو برای باتری خودرو‌های برقی

هر روز میلیون‌ها بطری پلاستیکی تنها پس از یک‌بار استفاده دور ریخته می‌شوند. هم‌زمان، نیاز جهان به باتری‌های لیتیوم‌یونی برای خودرو‌های برقی، گوشی‌های هوشمند، لپ‌تاپ‌ها، سامانه‌های ذخیره‌سازی انرژی تجدیدپذیر با سرعت زیادی در حال افزایش است. اکنون پژوهشی جدید نشان می‌دهد همین بطری‌های دورریخته‌شده می‌توانند به یکی از مهم‌ترین مواد اولیه تولید باتری‌های آینده تبدیل شوند.

پژوهشگران دانشگاه Penn State موفق شده‌اند بطری‌های پلاستیکی PET را به گرافیت مصنوعی باکیفیتی تبدیل کنند که حتی عملکردی بهتر از گرافیت طبیعی مورد استفاده در بیشتر باتری‌های لیتیوم‌یونی دارد. اگر این فناوری در مقیاس صنعتی توسعه یابد، بطری‌های پلاستیکی قدیمی می‌توانند نقش مهمی در تأمین مواد اولیه باتری‌های نسل آینده ایفا کنند.

دو چالش بزرگ که می‌توانند یکدیگر را حل کنند

سالانه حدود ۳۰۰ میلیون تن پلاستیک در جهان تولید می‌شود که تقریباً نیمی از آنها محصولات یک‌بارمصرف هستند.

پلاستیک PET یکی از رایج‌ترین انواع پلاستیک است که در تولید بطری‌های نوشیدنی، ظروف مواد غذایی کاربرد گسترده‌ای دارد.

تنها بخش کوچکی از این پلاستیک‌ها به‌درستی بازیافت می‌شوند. بخش عمده آنها یا سوزانده می‌شوند، یا به محصولات کم‌ارزش‌تر تبدیل می‌شوند، یا برای سال‌ها در محل دفن زباله باقی می‌مانند.

در سوی دیگر، تقاضا برای گرافیت نیز با سرعت زیادی در حال افزایش است. وزارت انرژی آمریکا (DOE) گرافیت را در فهرست مواد معدنی حیاتی قرار داده است. تقریباً تمام باتری‌های لیتیوم‌یونی از گرافیت به‌عنوان ماده اصلی آند استفاده می‌کنند.

هر خودروی برقی به حدود ۷۰ کیلوگرم گرافیت نیاز دارد. پیش‌بینی‌ها نشان می‌دهد تقاضا برای گرافیت موردنیاز باتری‌ها تا سال ۲۰۳۰ ممکن است چهار برابر شود.

چرا تبدیل بطری‌های پلاستیکی به گرافیت دشوار است؟

تبدیل PET به گرافیت باکیفیت بسیار پیچیده‌تر از چیزی است که به نظر می‌رسد. این پلیمر حدود ۳۳ درصد اکسیژن بر حسب وزن دارد و همین اکسیژن هنگام گرم شدن مشکلات جدی ایجاد می‌کند.

با تجزیه PET، اکسیژن باعث ایجاد پیوند‌های عرضی گسترده میان قطعات کربنی می‌شود. در نتیجه، به‌جای تشکیل لایه‌های منظم گرافیت، ساختاری نامنظم و کربنی موسوم به Turbostratic Char شکل می‌گیرد.

حتی دما‌های بسیار بالا، بیش از ۱۸۰۰ درجه سانتی‌گراد (حدود ۳۲۷۰ درجه فارنهایت)، نیز قادر به رفع کامل این مشکل نیستند.

برای دهه‌ها، رایج‌ترین راهکار استفاده از کاتالیزور‌های فلزی مانند آهن، نیکل یا کبالت بود.

این فلزات اگرچه تشکیل گرافیت را تسهیل می‌کنند، اما ناخالصی‌هایی در محصول نهایی باقی می‌گذارند. حذف این ناخالصی‌ها به مراحل شیمیایی اضافی نیاز دارد؛ موضوعی که برای تولید گرافیت مناسب باتری، جایی که خلوص اهمیت بسیار زیادی دارد، یک چالش اساسی محسوب می‌شود.

راهکاری جدید با استفاده از اکسید گرافن

تیم تحقیقاتی Penn State رویکرد متفاوتی را انتخاب کرد که در آن هیچ کاتالیزور فلزی استفاده نمی‌شود.

پژوهشگران پلاستیک PET خردشده را با مقدار بسیار کمی اکسید گرافن مخلوط کردند، سپس این ترکیب را تحت یک فرآیند گرمایش کنترل‌شده قرار دادند.

اکسید گرافن ورقه‌ای تک‌لایه از کربن است که گروه‌های اکسیژنی روی سطح آن قرار دارند. این ورقه‌ها مانند قالب عمل می‌کنند و هنگام کربنی‌شدن پلاستیک، اتم‌های کربن را به تشکیل ساختار‌های منظم و لایه‌لایه هدایت می‌کنند.

Shakshi Sekar، نویسنده اصلی این پژوهش، گفت:

«بیشتر مردم بعد از استفاده از یک بطری پلاستیکی، آن را صرفاً زباله می‌بینند. اما نتایج پژوهش ما نشان می‌دهد همین ماده می‌تواند به منبعی ارزشمند برای تولید گرافیت تبدیل شود؛ ماده‌ای که نقشی اساسی در فناوری‌های نوین باتری دارد.»

گرافیت تولیدشده از پلاستیک از گرافیت طبیعی بهتر عمل کرد

پژوهشگران دریافتند بهترین نتیجه زمانی حاصل می‌شود که تنها ۲.۵ درصد وزنی اکسید گرافن با مقدار کم اکسیژن به مخلوط اضافه شود.

در این شرایط، بلور‌های گرافیت بسیار بزرگ‌تر و منظم‌تر از نمونه‌های دیگر تشکیل شدند.

عرض بلور‌ها به حدود ۱۱۴ نانومتر رسید و ارتفاع لایه‌های روی‌هم‌قرارگرفته نیز حدود ۲۷ نانومتر اندازه‌گیری شد.

این اعداد از گرافیت طبیعی نیز بهتر هستند؛ زیرا گرافیت طبیعی معمولاً عرضی نزدیک به ۱۰۰ نانومتر و ارتفاعی حدود ۲۴.۶ نانومتر دارد.

در مقایسه با کربن حاصل از PET بدون افزودنی، عرض بلور‌ها حدود ۲۲۸ درصد افزایش یافت و ارتفاع آنها نیز نزدیک به ۲۰۰ درصد بیشتر شد.

سکار در این‌باره گفت:

«ما فقط برای پلاستیک‌های دورریخته‌شده کاربرد تازه‌ای پیدا نکرده‌ایم، بلکه ماده‌ای ارزشمند تولید کرده‌ایم که می‌تواند پاسخگوی افزایش تقاضا برای باتری‌ها و فناوری‌های انرژی پاک باشد.»

اکسید گرافن چگونه تشکیل گرافیت را هدایت می‌کند؟

بررسی پژوهشگران نشان داد گروه‌های اکسیژنی موجود روی اکسید گرافن نقش اصلی را در شکل‌گیری ساختار گرافیت ایفا می‌کنند، اما محل قرارگیری این گروه‌ها نیز اهمیت زیادی دارد.

نقش گروه‌های اکسیژن در رشد بلور‌ها

گروه‌های اکسیژنی که در لبه‌های ورقه اکسید گرافن قرار دارند، رشد جانبی بلور‌های گرافیت را آغاز می‌کنند و باعث افزایش عرض هر ناحیه بلوری می‌شوند.

در مقابل، اکسیژن موجود روی سطح اصلی ورقه، پیوند‌های عرضی ایجاد می‌کند که به هم‌راستا شدن لایه‌های در حال رشد کمک می‌کند. همچنین سطح تخت با ساختار sp۲ از طریق برهم‌کنش‌های π-π، اتم‌های کربن را به تشکیل لایه‌های موازی هدایت می‌کند.

گرافن خالص که فاقد گروه‌های اکسیژنی است نیز از سازوکاری مشابه، اما متفاوت استفاده می‌کند. لبه‌های فعال آن رشد جانبی را آغاز می‌کنند، سطح صاف آن نیز آرایش عمودی و منظم لایه‌های گرافیتی را تسهیل می‌کند.

تولید گرافیت خالص‌تر بدون استفاده از فلزات

یکی از مهم‌ترین مزیت‌های این فناوری، حذف کامل کاتالیزور‌های فلزی است.

در این روش دیگر اثری از آهن، نیکل یا سایر فلزات باقی نمی‌ماند که نیاز به حذف آنها در مراحل بعدی باشد.

سکار در این‌باره گفت:

«با حذف کاتالیزور‌های فلزی، می‌توانیم گرافیتی خالص‌تر تولید کنیم، مصرف مواد شیمیایی، تولید پسماند را نیز کاهش دهیم.»

این سادگی می‌تواند هزینه تولید مواد اولیه باتری، اثرات زیست‌محیطی این فرآیند را نیز کاهش دهد.

طبق اطلاعات ارائه‌شده در این پژوهش، تولید هر تن گرافیت مناسب باتری با روش‌های متداول به حدود ۱۱ هزار مگاژول انرژی نیاز دارد و تقریباً پنج تن دی‌اکسیدکربن تولید می‌کند.

یک روش، دو نوع ماده کربنی ارزشمند

این فناوری تنها به تولید گرافیت محدود نمی‌شود.

بسته به نوع افزودنی، مقدار آن، همین فرآیند می‌تواند دو نوع ماده کربنی مختلف تولید کند:

کربن گرافیتی برای آند باتری‌های لیتیوم‌یونی مورد استفاده در خودرو‌های برقی، تلفن‌های همراه، لپ‌تاپ‌ها.

کربن سخت (Hard Carbon) برای باتری‌های سدیم‌یونی که گزینه‌ای ارزان‌تر برای ذخیره‌سازی انرژی در مقیاس شبکه برق محسوب می‌شوند.

به این ترتیب، یک جریان پسماند پلاستیکی می‌تواند مواد اولیه موردنیاز دو فناوری متفاوت ذخیره‌سازی انرژی را تأمین کند؛ مزیتی که انعطاف‌پذیری این روش را برای صنایع آینده افزایش می‌دهد.

نگاهی تازه به مفهوم پسماند پلاستیکی

البته هنوز فاصله قابل‌توجهی میان آزمایشگاه، تولید صنعتی وجود دارد.

پژوهشگران باید امکان تولید در مقیاس بزرگ را بررسی کنند، عملکرد این گرافیت را در باتری‌های واقعی مورد ارزیابی قرار دهند.

با وجود این، نتایج اولیه نشان می‌دهد ماده‌ای که تاکنون تنها زباله تلقی می‌شد، می‌تواند به ماده اولیه فناوری‌های پیشرفته تبدیل شود.

سکار در پایان گفت:

«اگر بتوان پلاستیک‌های دورریخته‌شده را به مواد اولیه فناوری‌های پیشرفته انرژی تبدیل کرد، نگاه ما به بازیافت کاملاً تغییر خواهد کرد.»

«به‌جای آنکه پلاستیک را صرفاً یک مشکل زیست‌محیطی بدانیم، می‌توان آن را منبعی ارزشمند برای توسعه فناوری‌های انرژی پاک در نظر گرفت.»

نتایج این پژوهش در مجله Diamond and Related Materials منتشر شده است.

سوالات متداول

آیا بطری‌های پلاستیکی واقعاً می‌توانند به باتری خودرو‌های برقی تبدیل شوند؟

خیر. بطری‌ها مستقیماً به باتری تبدیل نمی‌شوند، بلکه پلاستیک PET آنها به گرافیت مصنوعی تبدیل می‌شود که یکی از اجزای اصلی آند باتری‌های لیتیوم‌یونی است.

چرا گرافیت برای باتری‌های لیتیوم‌یونی اهمیت دارد؟

تقریباً تمام باتری‌های لیتیوم‌یونی از گرافیت در بخش آند استفاده می‌کنند، به همین دلیل افزایش تولید خودرو‌های برقی باعث رشد شدید تقاضا برای این ماده شده است.

مزیت این روش نسبت به فناوری‌های قبلی چیست؟

در این فناوری نیازی به کاتالیزور‌های فلزی نیست، بنابراین گرافیت خالص‌تر تولید می‌شود، مصرف مواد شیمیایی، پسماند صنعتی نیز کاهش می‌یابد.

آیا این فناوری وارد مرحله تجاری شده است؟

خیر. این پژوهش هنوز در مرحله آزمایشگاهی قرار دارد و برای تولید انبوه به بررسی‌های بیشتری نیاز است.

جمع‌بندی

فناوری تبدیل بطری پلاستیکی به گرافیت می‌تواند هم‌زمان دو چالش مهم جهان، یعنی افزایش پسماند‌های پلاستیکی، کمبود مواد اولیه باتری‌های لیتیوم‌یونی را هدف قرار دهد. اگر این روش در مقیاس صنعتی موفق عمل کند، بطری‌های پلاستیکی دورریخته‌شده می‌توانند به یکی از منابع ارزشمند تولید باتری‌های نسل آینده تبدیل شوند. 

منیع:فوت و فن