31. 有機廃棄物がグラフェンに：高品質・低価格を実現

2022年5月2日 16:45

2021年8月27日
mikandersen

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参考

Luong, DX; Bets, KV; Algozeeb, WA; Stanford, M.G.; Kittrell, C.; Chen, W.; Tour, J.M. (2020). グラムスケールのボトムアップ型フラッシュグラフェン合成。Nature, 577(7792), p. 647-651。https://doi.org/10.1038/s41586-020-1938-0。

事実

Luong, DX; Bets, KV; Algozeeb, WA; Stanford, MG; Kittrell, C.; Chen, W.; Tour, JM 2020）の論文は、グラフェンの大規模生産が完全に可能であり、高度な専門技術や化学手順を必要としないことを示しており、特に重要な意味をもっている。その要旨は、「石炭、石油コークス、バイオ炭、カーボンブラック、廃棄食品、ゴムタイヤ、混合プラスチック廃棄物などの安価な炭素源を瞬間的にジュール加熱すると、1秒以内にグラム単位のグラフェンを生成できることを示す」ものである。後述するように、水晶の電極とチューブを用いて、少ないエネルギー消費で高品質のグラフェンをミリ秒単位で生成することに成功したのだ。
フラッシュグラフェン（FG）」と名付けられたこの製品は、「炉や溶剤、反応ガスなどを一切使用しない」。収率は原料の炭素含有量に依存します。煤煙、無煙炭、焼成コークスなどの高炭素原料を使用した場合、収率は80〜90％、炭素純度は99％以上となります」。このことを確認するため、研究者らはグラフェン試料をラマン分光法で分析したところ、「グラフェンのDバンドは低強度か消失しており、グラフェンの欠陥濃度はこれまで報告されている中で最低レベルであることがわかりました」という。
各種炭素源からのグラフェン合成

図1. 様々な炭素源からのグラフェンの合成（Luong, D.X.; Bets, K.V.; Algozeeb, W.A.; Stanford, M.G.; Kittrell, C.; Chen, W.; Tour, J.M. 2020).

FJH（Flash Joule Heating）プロセスは、グラフェンに変換する高炭素材料を薄い石英管に圧縮封入し、電極スタックで囲み、電流を発生させて数ミリ秒の一時的なフラッシュで温度（3000℃＝2726℃）を劇的に上昇させるものである。これにより、炭素が結晶化し、グラフェンが生成される。コスト面では、「FGの合成に必要なのは1グラムあたりわずか7.2キロジュールであり、FGはプラスチック、金属、合板、コンクリート、その他の建築材料のバルク複合材に適している可能性がある」と著者らは指摘している。7.2キロジュールは、0.002kWhに相当します。グラフェンの生産を夜間と仮定した場合、0.16ユーロ/kWh（スペインでの概算）の夜間料金が適用され、1グラムの高品質グラフェンの生産には0.00032ユーロの正味コストがかかり、1メートルトンは320ユーロとなる。
有機廃棄物を用いた方法の有効性を示すために、「炭素が約40％あるため、最初の炭素含有量に基づく収率は〜85％」となるコーヒーを例に挙げた。これは、炭水化物を主成分とするためで、炭水化物を多く含む有機廃棄物は、これらのプロセスで利用されやすいのである。にもかかわらず、最も高い収率は石炭に直接見られる。「FJHプロセスの収率は、カーボンブラック、カルシンコークス、無煙炭などの高炭素源から80％から90％と高い」のである。その他、「炭、バイオ炭、フミン酸、ケラチン（人毛）、リグニン、ショ糖、デンプン、松樹皮、オリーブオイルのすす、キャベツ、ココナッツ」が使用可能です。ピスタチオの殻、ジャガイモの皮、ゴム、ポリエチレンテレフタレート（PETまたはPETE）、高密度または低密度ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリアクリロニトリルなどの混合プラスチックタイヤ'。
2次元グラフェンの品質については、「電極間の試料圧縮（試料の導電性に影響する）、コンデンサー電圧、スイッチング時間を調整し、温度と閃光時間を制御することで最適化される」という。FJHプロセス中の水素、窒素、酸素の脱ガスは、大きく薄いグラフェンシートの形成に寄与する可能性があります。"グラフェン層の積層を防ぐことができ、さらなる成長を可能にすることができるのです。
各種チューブ、温度、圧縮の組み合わせによるグラフェン作製試験とその結果

図2 異なるチューブの種類、温度、圧縮の組み合わせでのグラフェン製造試験とその結果。(Luong, DX; Bets, KV; Algozeeb, WA; Stanford, MG; Kittrell, C.; Chen, W.; Tour, JM 2020)

この研究で明らかになったもう一つの興味深い特性は、「FG」が水/界面活性剤溶液に分散可能で、4gl -1「に達する高濃度分散液」を提供することである。これは、FJH法がグラフェン層の剥離に有効であり、エアロゲル、ハイドロゲル、生理的溶液の作製に最適であるためである。
今回の発見の応用例としては、セメントやコンクリートなどの建材にグラフェンを混合することが挙げられる。セメントにグラフェンを混ぜると、市販のグラフェンを使った他の化合物と比較して、その抵抗力が25%向上することが証明されました。「これらの改善は、同じ荷重で報告されている他のセメント-グラフェン複合材のほぼ3倍です。顕微鏡画像では、セメントマトリックス中にグラフェンが均質に分布していることがわかります。これらの特性は、ポリエチレングリコールなど、産業界で広く使用されているポリマーなど、他の材料にも拡張可能である。

意見

有機廃棄物から合成できることを考えると、高品質なバルクグラフェンの製造コストは非常に低い。この記事は、製造結果が簡単でスケーラブルであることを実証している。ワクチン、血清、肥料、植物衛生製品、大気エアロゾルの燻蒸および噴射用製品の需要を満たすために必要なグラフェンの大規模生産は、不足の問題なく満たすことができるだろう。石炭やその派生物がない場合は、すでに市民が容器に分別してリサイクルしている有機ゴミやプラスチックゴミを利用することができる。
FJH（Flash Joule Heating）法によるグラフェン製造に必要な材料が単純であることから、どんな産業でも容易にグラフェン製造に転換することができる。一方、1トンのグラフェンの生産に320ユーロかかることを考えると、儲かるビジネスであることは間違いなさそうだ。グラフェンの生産で得られる利益について考えるには、グラフェンのバルク販売（25kg以上の注文で1グラムあたり0.85ユーロ）の情報を見れば十分だろう。つまり、物流費、輸送・流通費、グラフェン製造のための原材料の入手、マーケティング、税金などを考慮すると、1トンの販売につき67万ユーロ以上の純益が得られることになる。