Мухаммад Рахман, доцент-исследователь материаловедения и наноинженерии, использует уникальный процесс быстрого джоулевого нагрева Rice для мгновенного преобразования асфальтенов в турбостратный (слабо выровненный) графен и смешивания его с композитами для термических, антикоррозийных применений и 3D-печати.

В процессе эффективно используется материал, который в противном случае сжигается для повторного использования в качестве топлива или выбрасывается в хвостохранилища и на свалки. Использование по крайней мере части мировых запасов асфальтена, насчитывающих более 1 трлн баррелей, в качестве сырья для производства графена также было бы полезно для окружающей среды.

"Асфальтен - большая головная боль для нефтяной промышленности, и я думаю, что к этому будет большой интерес", - сказал Рахман, который охарактеризовал процесс как масштабируемый и устойчивый способ сокращения выбросов углекислого газа при сжигании асфальтена.

Рахман является ведущим автором-корреспондентом статьи в Научные достижения Совместно с химиком Райсом Джеймсом Туром, в лаборатории которого был разработан флэш-джоулев нагрев, ученым-материаловедом Пуликелем Аджаяном и доктором медицинских наук Голамом Кибрией, доцентом химической и нефтяной инженерии в Университете Калгари, Канада.

Асфальтены уже на 70-80% состоят из углерода. Лаборатория Райса сочетает его примерно с 20% технического углерода для повышения электропроводности и вспыхивает электрическим разрядом, превращая его в графен менее чем за секунду. Другие элементы в исходном сырье, включая водород, азот, кислород и серу, выводятся в виде газов.

"Мы стараемся поддерживать содержание технического углерода как можно ниже, потому что хотим максимально эффективно использовать асфальтен", - сказал Рахман.

"Правительство оказывает давление на нефтяную промышленность, чтобы она позаботилась об этом", - сказал аспирант Райс и соавтор исследования М.А.С.Р. Саади. "В наличии имеются миллиарды баррелей асфальтена, поэтому мы начали работать над этим проектом в первую очередь для того, чтобы посмотреть, сможем ли мы производить углеродное волокно. Это навело нас на мысль, что, возможно, нам следует попробовать изготовить графен с помощью флэш-джоулевого нагрева ".

Убедившись, что процесс Тура работает на асфальтене так же хорошо, как и на различных других видах сырья, включая пластик, электронные отходы, шины, угольную золу и даже автомобильные детали, исследователи приступили к созданию изделий из графена.

Саади, который работает с Рахманом и Аджаяном, смешал графен с композитами, а затем с полимерными чернилами, предназначенными для 3D-принтеров. "Мы оптимизировали реологию чернил, чтобы показать, что они пригодны для печати", - сказал он, отметив, что в чернилах содержится не более 10% графена. По его словам, в ближайшее время будут проведены механические испытания печатных объектов.

Аспирант Райс Пол Адвинкула, сотрудник лаборатории Тура, является соавтором статьи. Соавторами являются аспиранты Райс, доктор медицинских наук Шаджедул Хок Тхакур, Али Хатер, Джейкоб Бекхэм и Минхе Лу, студент Ааша Зинке и постдокторант Сумябрата Рой; научный сотрудник Шабаб Саад, выпускник Али Шайестех Зераати, аспирант Шарифул Кибрия Набиль и постдокторант Абдулла Аль Бари из Университета Калгари; аспирант Шравани Бхимасетти и Венкатарамана Гадхамшетти, адъюнкт-профессор Горно-технологической школы Южной Дакоты и ее научно-технологического центра 2D-материалов для создания биопленок; и ассистент-исследователь Ивен Чжэн и Анируддх Вашистх, доцент кафедры машиностроения Вашингтонского университета.

Исследование финансировалось программами Alberta Innovates for Carbon Fiber Grand Challenge, Управлением научных исследований ВВС (FA9550-19-1-0296 ), Инженерный корпус армии США (W912HZ-21-2-0050 ) и Национальный научный фонд (1849206, 1920954).