Heutzutage wird der Großteil des Graphits – eine Form von Kohlenstoff, die in Elektronik und Batterien verwendet wird – durch umweltschädlichen Bergbau oder ein synthetisches Verfahren gewonnen, das auf Erdöl basiert. Beide Arten der Graphitgewinnung haben einen großen Kohlenstoff-Fußabdruck und einen hohen Energiebedarf. Jetzt haben Forscher der University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering eine neue Methode zur Herstellung von Graphit aus verkohltem Pflanzenmaterial entwickelt. Ihr Ansatz wurde in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der Northwestern University und der University of Illinois Urbana-Champaign entwickelt.
„Graphit spielt eine entscheidende Rolle in vielen Dingen, die wir tagtäglich benutzen, darunter auch in Batterien. Daher ist es sehr wichtig, dass wir es nachhaltig herstellen können“, sagt Stuart Rowan, Barry L. MacLean Professor für Molecular Engineering Innovation and Enterprise an der UChicago Pritzker Molecular Engineering und Mitarbeiter des Argonne National Laboratory. „Wenn wir Biomasse in Graphit umwandeln können, haben wir nahezu unbegrenzten Zugang.“ Die neue Methode verwendet ein auf Pflanzen basierendes „Biokohle“-Material, das sonst von den Herstellern weggeworfen wird, um Graphit mit deutlich geringeren Auswirkungen auf die Umwelt als andere Methoden herzustellen.
Kristalle aus Kohlenstoff
Graphit besteht aus vielen Schichten von Kohlenstoff, die in gestapelten, hexagonalen Mustern angeordnet sind. Im Vergleich zu anderen Formen von Kohlenstoff ist Graphit weicher, kann aber Elektrizität leiten, was ihm wichtige Anwendungen in der Elektronik, der Energiespeicherung und der Materialwissenschaft verleiht. Für viele dieser Anwendungen muss Graphit jedoch in perfekten Kristallen geformt werden – etwas, das schwer zu erreichen ist, wenn man von dem ungeordneten Kohlenstoff ausgeht, den man in Pflanzenmaterial findet.
Mit dem Ziel, eine nachhaltigere Graphitquelle zu schaffen und Kohlenstoff zu binden, der sonst in die Umwelt gelangen würde, machten sich Rowan und seine Mitarbeiter daran, die Methoden zur Herstellung von Graphit aus Pflanzen zu verbessern. Ihr Programm mit der Bezeichnung MADE-PUBLIC (für Manufacturing ADvanced Electronics through Printing Using Bio-based and Locally Identifiable Compounds) wurde vom Future Manufacturing Program der National Science Foundation finanziert.
Etwa die Hälfte der Trockenmasse einer Pflanze besteht aus Kohlenstoff, und in der Vergangenheit haben Forscher versucht, Pflanzenmaterial zur Herstellung von Graphit zu verwenden. Der daraus gewonnene Graphit war jedoch von zu geringer Qualität, um für High-Tech-Anwendungen geeignet zu sein. Anstatt mit ganzen Pflanzen zu beginnen, wandte sich Rowans Gruppe einem Material zu, das normalerweise von den Herstellern des als Bioöl bekannten umweltfreundlichen Brennstoffs entsorgt wird. Der als Biokohle bezeichnete Abfall ist eine dichte und kohlenstoffreiche Substanz, die beim Entfernen von Pflanzenölen zurückbleibt.
„Wenn wir mit dieser Biokohle beginnen, haben wir eine viel konzentriertere Kohlenstoffquelle“, sagt Haoyang You, PME-Student an der University of Chicago, der Erstautor der Studie. „Außerdem können wir so ein hochwertiges Produkt aus einem Abfall erzeugen, der im Grunde genommen weggeworfen wird.
Suche nach der kritischen Temperatur
Um ungeordneten Kohlenstoff dazu zu bringen, sich in die strengen Sechsecke von Graphit zu organisieren, greifen Forscher oft zu Eisen. Wenn ein Kohlenstoff-Eisen-Gemisch erhitzt und dann abgekühlt wird, ordnet sich der Kohlenstoff in Schichten auf der Eisenoberfläche an. In ihrer neuen Arbeit entdeckten Rowan, You und ihre Kollegen, dass ein langsameres Abkühlen dieser Mischung als üblich zu größeren, besser organisierten Graphitkristallen führte. Ihr Bio-Graphit, der über einen Zeitraum von etwa 8 Stunden statt der üblichen 3 Stunden abgekühlt wurde, enthielt Kristalle, die fünfmal dicker und mehr als 15-mal breiter waren als die Kristalle bei älteren Methoden.
Darüber hinaus ergaben Berechnungen der Gruppe, dass ihre Graphitproduktionsmethode im Vergleich zu anderen Biographitverfahren einen weitaus geringeren Bedarf an fossilen Brennstoffen hat und weniger Treibhausgasemissionen verursacht. „Diese Methode ist nicht nur besser als andere Methoden zur Herstellung von Bio-Graphit, sondern sie übertrifft auch die derzeitige Herstellung von Naturgraphit und synthetischem Graphit, was die Umweltauswirkungen angeht“, so You.
Tinte und mehr
Um den Nutzen ihres Bio-Graphits zu testen, verwendete die Gruppe es zur Herstellung von Graphen-Tinten, die zum Drucken von Sensoren und anderer kleiner Elektronik verwendet werden. Es zeigte sich, dass die so hergestellten Tinten eine höhere Leitfähigkeit aufwiesen als Tinten, die aus anderem Bio-Graphit hergestellt wurden, und erfolgreich für die Herstellung funktionierender Elektronik eingesetzt werden konnten.
Um ihren Graphit auch für andere Anwendungen, wie zum Beispiel Batterien, nutzen zu können, muss das Forscherteam seine Methoden weiter verfeinern, um noch größere Graphitkristalle zu erhalten – ein Vorhaben, an dem es bereits arbeitet. Das Team plant außerdem, die Kosten für die Bio-Graphit-Produktionsmethode zu senken, während sie sie ausweiten.
Die USA haben Graphit aufgrund seiner Verwendung in der Verteidigungs-, Energie-, Luft- und Raumfahrt-, Kommunikations- und Transportindustrie zu einem kritischen Mineral für die nationale Sicherheit erklärt. Trotz der steigenden Nachfrage nach Graphit sind die USA derzeit bei fast allen Graphitlieferungen auf andere Länder angewiesen. „Unsere Arbeit ist ein erster großer Schritt auf dem Weg zu einer nachhaltigeren Graphitquelle und entlastet die USA von einigen Problemen in der Lieferkette für Batterien und andere Elektronikprodukte“, so Rowan. „Wir freuen uns darauf, weiter an diesem Projekt zu arbeiten.“
