Il calcio come catalizzatore innovativo ed efficace per la sintesi del grafene

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 21492 (2022) Citare questo articolo

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La pirolisi della biomassa lignocellulosica (carbonio duro) produce biochar scarsamente grafitico. In questo studio, biochar nanostrutturati sono stati prodotti da cellulosa microcristallina utilizzando il calcio come catalizzatore non convenzionale. Il calcio è abbondante, rispettoso dell’ambiente e ampiamente accessibile. La grafitizzazione della cellulosa impregnata di calcio è stata effettuata a 1800 °C, una temperatura inferiore a 2000 °C dove solitamente avviene la grafitizzazione. XRD, spettroscopia Raman, TEM ad alta risoluzione insieme allo strumento numerico sviluppato internamente consentono la quantificazione delle frange di grafene nei biochar. Il biochar di cellulosa non impregnato era composto da frange di grafene corte e scarsamente impilate. L'impregnazione con il 2% in peso di calcio ha portato alla conversione della struttura iniziale in una struttura simile al grafene, ben organizzata e meno difettosa. Le strutture simili al grafene ottenute erano composte da decine di frange di grafene impilate con una dimensione dei cristalliti fino a 20 nm e una spaziatura media tra gli strati pari a 0,345 nm, vicina al valore di riferimento della grafite esagonale standard (0,3354 nm). L’aumento della concentrazione di calcio non ha migliorato significativamente le dimensioni dei cristalliti dei materiali simili al grafene ma ne ha piuttosto migliorato drasticamente la velocità. I nostri risultati propongono un meccanismo e forniscono nuove intuizioni sulla sintesi di materiali simili al grafene da materie prime biologiche utilizzando calcio, dove la letteratura si concentra su metalli di transizione come ferro e nichel, tra gli altri. La diminuzione della temperatura di grafitizzazione al di sotto di 2000 °C dovrebbe ridurre i costi di produzione e l'impatto ambientale della sintesi termica di materiali simili al grafene utilizzando la biomassa. Questa scoperta dovrebbe stimolare ulteriori ricerche nel campo e ampliare le prospettive applicative.

Il grafene è un materiale di carbonio bidimensionale con uno strato atomico come spessore1. I fogli di grafene sono precursori di nanotubi di carbonio, fullerene, fibre di carbonio, nerofumo o grafite2,3,4. A seconda delle caratteristiche come la lunghezza e l'orientamento dei fogli di grafene, si potrebbero sviluppare diverse proprietà tra cui la conduttività elettrica, la resistenza meccanica o termica5,6. Pertanto, il grafene è considerato un materiale ad alte prestazioni, promettente per un’ampia gamma di applicazioni come batterie, stoccaggio di energia, elettronica e biologia4,7,8,9,10,11.

Al giorno d’oggi, il grafene può essere prodotto da materie prime fossili mediante processi top-down o bottom-up3,12,13,14,15,16. I processi top-down includono l’esfoliazione meccanica o chimica della grafite estratta per isolare i fogli di grafene. I processi bottom-up coinvolgono la sintesi del grafene da precursori di idrocarburi gassosi. I vantaggi e gli svantaggi di ciascun processo sono stati precedentemente discussi in letteratura17,18. Quasi tutti i processi utilizzano fonti fossili di carbonio e richiedono un elevato consumo di energia. Gestire una produzione su scala industriale e più rispettosa dell’ambiente di grafene omogeneo e privo di difetti è una delle principali sfide per prevedere un ulteriore utilizzo commerciale del grafene. La produzione di materiali simili al grafene da biorisorse (biomassa, rifiuti organici...) aprirebbe la strada a nuovi materiali con proprietà eccezionali. Questo approccio, in contrasto con le tecniche standard di produzione del grafene che utilizzano sostanze chimiche e vari solventi, ridurrebbe l’impatto ambientale della sintesi di materiali simili al grafene.

La cellulosa è una risorsa rinnovabile e il polimero organico più abbondante sulla Terra. La cellulosa viene utilizzata in tutto il mondo per la produzione di carta ed è ampiamente accessibile a basso costo. La sua struttura è anche relativamente omogenea tra le biomasse lignocellulosiche, rispetto alla lignina o all'emicellulosa. L’approccio principale per la sintesi di materiali simili al grafene dalla biomassa è la pirolisi per generare biochar simili al grafene. La cellulosa è composta da una lunga catena di molecole di D-glucosio, con esclusivamente atomi di carbonio sp3. Durante la pirolisi della cellulosa, i carboni sp3 seguono molteplici e complessi riarrangiamenti chimici per essere convertiti in carboni sp2 e formare anelli aromatici19. Per questo motivo la cellulosa non è un materiale favorevole alla grafitizzazione.