Valorization of Petroleum coke into High-Quality Few-Layer Graphene through Liquid-Phase Exfoliation
تقدم هذه الورقة طريقة غير أكسدية وقابلة للتوسع تحول كوك البترول منخفض القيمة إلى صفائح نانوية من الجرافين عالية الجودة، قليلة الطبقات، وذات موصلية واستقرار عاليين، وذلك من خلال المعالجة المسبقة المتتالية بالإيزوبروبانول، وإزالة الكبريت حرارياً، والتقشير في الطور السائل بمساعدة ثاني أكسيد الكربون.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
سحر تحويل النفايات إلى كنوز
تخيل عالماً يمكن فيه تحويل الأشياء التي نتخلص منها عادةً أو نحرقها كوقود رخيص إلى "المادة المعجزة" في المستقبل. هذا هو الركن المثير من العلوم المسمى علم المواد، والذي يركز تحديداً على الكربون. الكربون هو حجر البناء للحياة، ولكن عندما يتم ترتيبه في نمط خلية نحل مسطح ومحدد للغاية، يصبح الجرافين. فكر في الجرافين كطبقة واحدة من شبك الدجاج المصنوع من ذرات الكربون؛ إنه قوي للغاية، وخفيف الوزن، ويوصل الكهرباء بشكل أفضل من أي شيء آخر تقريباً.
ومع ذلك، فإن صنع الجرافين عادة ما يكون أمراً صعباً ومكلفاً. تتطلب معظم الطرق البدء باستخدام الجرافيت عالي الجودة (مثل الموجود في أقلام الرصاص) أو استخدام مواد كيميائية سامة وقاسية تضر بالمادة. يتناول هذا البحث سؤالاً كبيراً: هل يمكننا أخذ منتج نفايات منخفض القيمة ومتسخ من مصافي النفط وتحويله إلى جرافين عالي الجودة دون استخدام تلك المواد الكيميائية الضارة؟ يستكشف المؤلفون طريقة "خضراء" لترقية فحم البترول (وهو منتج ثانوي أسود صلب ناتج عن تكرير النفط) إلى مادة قيمة، مما يثبت أن أفضل المواد الخام تختبئ أحياناً أمام أعيننا كنفايات صناعية.
من نفايات صخرية إلى صفائح لامعة
في هذه الدراسة، قرر فريق من الباحثين من المملكة العربية السعودية والولايات المتحدة تجربة وصفة جديدة لصنع الجرافين. فبدلاً من استخدام الجرافيت باهظ الثمن أو الأحماض الخطرة، بدأوا بـ فحم البترول (أو "البت كوك"). يمكنك التفكير في فحم البترول كـ "الرماد" المتبقي بعد معالجة مصافي النفط للنفط الخام الثقيل. عادة ما يتم حرق هذه المادة كوقود أو استخدامها في صناعة الصلب، لكن الباحثين رأوا فيها إمكانات لشيء أكثر روعة.
كان هدفهم هو تحويل هذه النفايات الصخرية المليئة بالكبريت إلى جرافين قليل الطبقات — وهو ببساطة عبارة عن كومة من بضع طبقات فقط من المادة الخارقة، بدلاً من طبقة واحدة مثالية. وللقيام بذلك، طوروا عملية مكونة من ثلاث خطوات تتجنب طرق "الأكسدة" (الحرق بالأكسجين) المعتادة التي غالباً ما تدمر بنية الجرافين.
الخطوة 1: علاج السبا (الاستجمام)
أولاً، منحوا فحم البترول حماماً. قاموا بسحق الصخور إلى قطع صغيرة (أصغر من 90 ميكرومتر) وغسلوها باستخدام الأيزوبروبانول الساخن (نفس المادة الموجودة في الكحول الطبي). تخيل هذا مثل فرك إسفنجة متسخة لإزالة كل الشحم والقطران العالق في الخارج. هذه الخطوة نظفت السطح وجعلت الجسيمات مستعدة لاستقبال العلاج التالي.
الخطوة 2: فرن الهواء الساخن
بعد ذلك، وضعوا فحم البترول النظيف في فرن خاص مليء بغاز الأرغون (غاز خامل لا يتفاعل مع أي شيء) وسخنه حتى درجة حرارة هائلة بلغت 1400 درجة مئوية. لم يكن الهدف مجرد تسخينه؛ بل كان "لإعادة ترتيب" الذرات بداخله. عملت الحرارة مثل النحات، حيث قامت بتنعيم بنية الكربون الفوضوية وإزالة الكبريت (عنصر ذو رائحة كريهة وضار) والشوائب الأخرى. بعد هذه الخطوة، أصبحت المادة أكثر تنظيماً، وبدت أكثر شبهاً بهيكل خلية النحل المثالي المطلوب للجرافين. وجد الباحثون أن هذا العلاج الحراري زاد من نقاء الكربون إلى 96.6% بالوزن وأزال حوالي 76% من الكبريت.
الخطوة 3: الانفجار الفقاعي
أخيراً، أخذوا هذا الكربون النظيف شديد السخونة ووضعوه في خليط سائل من الأيزوبروبانول والماء المشبع بـ ثاني أكسيد الكربون (CO₂). ثم عرضوه لضربات الموجات الصوتية باستخدام جهاز يسمى "السونيكيتور" لمدة 10 إلى 12 ساعة. يمكنك تخيل هذا مثل هز زجاجة صودا بقوة شديدة. خلقت فقاعات ثاني أكسيد الكربون انفجارات مجهرية (تسمى التكهف) في السائل. هذه الانفجارات المجهرية قامت بفصل طبقات الكربون عن بعضها، وتقشيرها مثل صفحات الكتاب، محولةً القطع الصلبة إلى صفائح رقيقة عائمة من الجرافين.
ما وجدوه
كانت النتائج مبهرة. نجح الفريق في تحويل فحم البترول المتسخ إلى جرافين قليل الطبقات يتكون في الغالب من 3 إلى 5 طبقات سمكاً. استخدموا مجاهر واختبارات متنوعة لإثبات نجاح العملية:
- فحص الجودة: عندما نظروا إلى المادة باستخدام الليزر (مطيافية رامان)، أظهرت الإشارات أن الجرافين كان منظماً جيداً ويحتوي على عدد قليل جداً من العيوب. تحسنت نسبة الإشارات "الجيدة" إلى الإشارات "السيئة" بشكل كبير، مما يظهر أن العملية أنتجت مادة عالية الجودة.
- الحجم مهم: باستخدام مجهر فائق الحساس يسمى مجهر القوة الذرية (AFM)، قاموا بعد القشور. وجدوا أن 93.5% من القشور الصغيرة كان عرضها أقل من 0.6 ميكرومتر، مما يعني أنهم نجحوا في تفتيت المادة إلى قطع صغيرة جداً وقابلة للاستخدام.
- الاستقرار: قاموا بخلط الجرافين في سائل وراقبوه لمدة ستة أشهر. لم يترسب أو يتكتل، وظل مستقراً مثل الطلاء الممزوج جيداً. وهذا أمر بالغ الأهمية لأنه إذا ترسب الجرافين خارج السائل، فلن يمكن استخدامه في صناعة الأحبار أو الطلاءات.
- الكهرباء: عندما قاموا بتجفيف الجرافين ليصبح في شكل فيلم، كان موصلاً للكهرباء بشكل جيد جداً. بدون أي تسخين إضافي، كانت موصلية الفيلم 165 سيمنز لكل متر (S m⁻¹). ولكن، إذا قاموا بتسخين الفيلم مرة أخرى في الفرن (التلدين) عند 1400 درجة مئوية، قفزت الموصلية إلى 872 سيمنز لكل متر. هذا رقم مرتفع جداً، مما يعني أن الكهرباء تتدفق من خلاله بسهولة تقارب سهولة تدفقها عبر بعض المعادن.
لماذا هذا مهم
أظهر الباحثون أن هذه الطريقة ليست مجرد حيلة لمرة واحدة. فقد اختبروها على مواد نفايات أخرى مثل الأسفلتين (منتج ثانوي آخر للنفط)، وتفل القهوة المستعمل، والفحم الحيوي (الفحم الناتج عن النباتات). وفي كل حالة، حولت وصفة "الغسل، التسخين، والفقاعات" هذه المواد المختلفة إلى صفائح تشبه الجرافين.
يشير هذا البحث إلى أننا لسنا بحاجة للاعتماد على الجرافيت باهظ الثمن وعالي النقاء لصنع الجرافين. بدلاً من ذلك، يمكننا أخذ نفايات صناعية رخيصة، وفيرة، وغالباً ما تكون مشكلة مثل فحم البترول وتحويلها إلى مادة عالية التقنية. ومن خلال تجنب المواد الكيميائية القاسية واستخدام عملية قابلة للتوسع، فقد فتحوا باباً لجعل الجرافين أرخص وأكثر استدامة. وبينما لا تزال العملية تتطلب حرارة وطاقة عالية، فإن القدرة على تحويل وقود منخفض القيمة إلى مادة تساوي آلاف الدولارات للطن توفر مساراً واعداً لمستقبل تخزين الطاقة، والطلاءات الموصلة، والإلكترونيات.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.