Inovação? Edição: Lixo (Desperdício Alimentos, Plástico, etc.) em Grafeno Valioso em Um Flash - Grafeno Puro e Barato em Escala - Universal Matter.
➟Ana Luísa Cordeiro Duarte Rocha
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Olá de novo! Bem-vindo de volta a esta série da Ana Luísa que deixa você a par das inovações. Estou quebrando tópicos na intersecção entre tecnologia e geração de energia, falando sobre como elas funcionam e destacando a empresa ou pessoa pioneira. Esta edição: Lixo (Desperdício Alimentos, Plástico, etc.) em Grafeno Valioso em Um Flash - Grafeno Puro e Barato em Escala - Universal Matter.
O que é, e como funciona?
É um novo processo 'verde' que produz grafeno intocado a granel usando resíduos de alimentos, plásticos e outros materiais. O processo é rápido e barato, e transforma grandes quantidades de praticamente qualquer fonte de carbono em valiosos flocos de grafeno.
📢 A técnica denominada "flash grafeno" pode converter uma tonelada de carvão, restos de comida ou plástico em grafeno de alta qualidade por cerca de US$ 100 em custos de eletricidade, uma fração do custo usado por outros métodos produtores de grafeno a granel
🚨O grafeno instantâneo transforma qualquer fonte de carbono no valioso material 2D em 10 milissegundos. O pó preto de carbono se transforma em grafeno em uma explosão de luz e calor
🗝 Grafeno para concreto, asfalto, edifícios, carros, roupas e vários outros, feito a partir de, até mesmo, uma casca de banana
Cientistas da Rice University
James Tour, T.T. e W.F. Chao Chair em Química, bem como Professor de Ciência da Computação e de Ciência dos Materiais e Nanoengenharia na Universidade Rice e Co-fundador da Universal Matter:
"Pode transformar quantidades em massa de praticamente qualquer fonte de carbono em valiosos flocos de grafeno. O processo é rápido e barato. Este é um grande negócio. Nós temos já comprovado que qualquer matéria sólida à base de carbono, incluindo resíduos plásticos misturados e pneus de borracha, pode ser transformada em grafeno.”
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"A técnica "flash graphene" pode converter uma tonelada de carvão, desperdício de alimentos ou plástico no grafeno por uma fração do custo usado por outros métodos produtores de grafeno a granel."
Rouzbeh Shahsavari, Professor de Engenharia Civil e Ambiental e de Ciência de Materiais e Nanoengenharia na Universidade de Rice e Presidente da C-Crete Technologies:
“Transformar o lixo em tesouro é a chave para a economia circular."
Ksenia Bets, Pesquisadora e Co-autora:
"A temperatura é essencial para a formação rápida do material. Nós basicamente aceleramos o lento processo geológico pelo qual o carbono evolui para seu estado fundamental, grafite." [...] "Muito acelerado por um pico de calor, e também é interrompido no instante certo, no estágio de grafeno."
Duy Luong, Pesquisador e Co-autor:
“Todo o excesso de energia sai como luz, em um flash muito brilhante, e como não há solventes, é um processo super limpo.” [...]
Duy Luong encontrou grafeno quando acionou o primeiro dispositivo de pequena escala com o intuito de encontrar novas fases do material, começando com uma amostra de negro de fumo.
"O intuito inicial era usar o aquecimento instantâneo de Joule para fazer nanopartículas de metais que mudam de fase, porém rapidamente percebi que o processo não produzia nada além do que grafeno de alta qualidade."
Buscou por uma moeda e achou um baú de tesouro. 1º teve que buscar alguma coisa. Quem procura acha. 💡 Pense sobre o que esta procurando. 👀👩
Dirigentes
John Van Leeuwen, CEO da Universal Matter:
Funcionamento:
Pulsos de eletricidade de alta energia transformam qualquer fonte de carbono em grafeno turboestrático em um instante. O processo promove benefícios ambientais ao transformar resíduos diversos — o material de origem pode ser quase qualquer um com conteúdo de carbono: resíduos de alimentos, resíduos de plástico, coque de petróleo, carvão (cinzas volantes), aparas de madeira e bicarbonato são os principais, mas também pode ser usado como matérias-primas asfalto, resíduos eletrônicos, pneus, e até peças do carro; em grafeno valioso que pode então fortalecer o concreto e outros materiais compostos.
O grafeno atua como um modelo 2D e um agente de reforço que controla a hidratação do cimento e o subsequente desenvolvimento da força.
O pó preto de carbono se transforma em grafeno em uma explosão de luz e calor. O grafeno instantâneo transforma qualquer fonte de carbono no valioso material 2D em 10 milissegundos — até mesmo uma casca de banana produz grafeno.
O processo de aquecimento Joule sem catalisador e solvente pode fabricar grandes quantidades de grafeno dopado com propriedades personalizadas para nanodispositivos ópticos e eletrônicos.
O processo de aquecimento de Joule flash também pode produzir grafeno dopado com propriedades personalizadas para dispositivos ópticos e eletrônicos. O processo leva cerca de um segundo, é livre de catalisadores e solventes e depende inteiramente do “piscando” um pó que combina os elementos dopantes com o negro de fumo.
Grafeno turboestrático puro que é convertido através da técnica de grafeno instantâneo — o processo pode ser ampliado para produzir quantidades em escala industrial do valioso material de qualquer fonte de carbono.
O grafeno é turbostrático quando as pilhas dos treliços 2D semelhantes a mel não se alinham. Isso facilita a dispersão das folhas em nanoescala em uma solução, produzindo grafeno solúvel que é muito mais simples de incorporar em outros materiais.
Aquecimento Flash Joule para Grafeno a Granel
São usados pulsos de eletricidade de alta energia para transformar qualquer fonte de carbono em grafeno turboestrático em um instante.
Em um flash, o negro de fumo — ou qualquer um dos outros materiais de entrada, ver imagem inicial; se transforma em grafeno. O processo de flash ocorre em um reator projetado sob medida que aquece o material rapidamente e emite todos os elementos não carbonéticos como gás. Quando esse processo é industrializado, elementos como oxigênio e nitrogênio que saem do reator flash podem ficar presos como moléculas pequenas, e estes elementos têm valor.
O processo do flash produz muito pouco excesso de calor, canalizando quase toda a sua energia para o alvo. Pode-se até mesmo colocar o dedo no recipiente alguns segundos depois, sem qualquer perigo, pois no processo de flash o calor é concentrado no material de carbono e nenhum no reator circundante — simulações de computador captam a cinética e os detalhes dos movimentos e transformações atômicas moduladas a altas temperaturas.
O grafeno instantâneo é feito em 10 milissegundos, aquecendo materiais contendo carbono para 3.000 Kelvin — cerca de 5.000 graus Fahrenheit.
Assim, o processo escalável de grafeno turboestrático puro convertido através da técnica de grafeno instantâneo transforma rapidamente carbono de qualquer fonte em grafeno a granel.
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Comparativo
🌟Converte desperdício de alimentos ou plástico em grafeno por uma fração do custo usado por outros métodos produtores de grafeno a granel
O processo flash diminui bastante o preço do grafeno — que, por ter agora, com este novo processo, baixo custo, pode passar a ser usado no setor de construção civil; ao passo que, ainda, ajuda a gerenciar muito melhor os resíduos.
O processo produz turbostrático grafeno, com camadas desalinhadas que são fáceis de separar. Já o grafeno empilhado A-B de outros processos, como a esfoliação de grafite, é muito difícil de separar, pois as camadas se aderem e juntam fortemente. Ou seja, o grafeno turbostrático é muito mais fácil de trabalhar, porque a adesão entre as camadas é muito menor. Eles simplesmente se separam em solução ou ao se misturarem em compósitos. Isso é importante, porque assim pode-se fazer com que cada uma dessas camadas atômicas únicas interaja com um composto hospedeiro, fato esse que não é possível nos demais processos convencionais.
Processo pode ser ampliado para produzir quantidades em escala industrial do valioso material de qualquer fonte de carbono
Por exemplo, os grãos de café usados se transformam em folhas de grafeno de camada única, e, em um flash, o negro de fumo se transforma em grafeno.
Ao fortalecer o concreto com grafeno, usa-se menos concreto para a construção, e tem-se um custo menor para fabricá-lo, bem como para transportá-lo.
Com o método da Universidade de Rice, o carbono se torna fixo, e, com isso não entra no ar novamente — tem-se emissão zero.
Aprimora técnicas como esfoliação de grafite e deposição química de vapor em uma folha de metal que exigem muito mais esforço e custo para produzir apenas um pouco de grafeno.
Produção de grafeno sem necessidade de alta energia, cisalhamento, sonicação, tratamento eletroquímico, deposição de vapor químico ou métodos orgânicos sintéticos. Apenas aquecimento instantâneo (Joule).
A maioria dos grafenos em escala de massa é produzida por uma abordagem de cima para baixo, esfoliando grafite, que geralmente requer grandes quantidades de solvente com mistura de alta energia, cisalhamento, sonicação ou tratamento eletroquímico. Embora a oxidação química do grafite em óxido de grafeno promova a esfoliação, ela requer oxidantes duros e deixa o grafeno com uma estrutura perfurada defeituosa após a etapa de redução subsequente. A síntese de baixo para cima, convencional, de grafeno de alta qualidade, geralmente, é restrita a quantidades ultrasmáticas se realizada por deposição de vapor químico ou métodos orgânicos sintéticos avançados, ou fornece uma estrutura cheia de defeitos se realizada em solução a granel. Diferentemente dessas abordagens, o método da Universidade de Rice que utiliza o aquecimento instantâneo de Joule de fontes de carbono baratas — como carvão, coque de petróleo, bicarbonato, negro de fumo, alimentos descartados, pneus de borracha e resíduos de plástico misto; podem gerar quantidades de grafeno em escala de grama em menos de um segundo. O produto, denominado grafeno flash (FG), após o processo usado para produzi-lo, mostra arranjo turbostrático — ou seja, pouca ordem; entre as camadas de grafeno empilhadas.
A síntese de Grafeno Flash (FG) não usa forno nem solventes ou gases reativos.
Os rendimentos dependem do teor de carbono da fonte. Ao usar uma fonte de alto carbono, como negro de fumo, carvão antracítico ou coque calcinado, os rendimentos podem variar de 80 a 90%, com pureza de carbono superior a 99%.
Nenhuma etapa de purificação é necessária.
O FG tem as concentrações mais baixas de defeitos relatadas até o momento para o grafeno e o empilhamento turbostrático de FG se distingue claramente do grafite turbostrática. A orientação desordenada das camadas de FG facilita sua rápida esfoliação ao misturar durante a formação composta.
O custo de energia elétrica para a síntese de Grafeno Flash (FG) é de apenas cerca de 7,2 quilojoules por grama, o que torna o FG adequado para uso em compostos a granel de plástico, metais, madeira compensada, concreto e outros materiais de construção.
Contextualização
O mundo joga fora 30% a 40% de todos os alimentos, porque ficam ruins, e o desperdício de plástico é uma preocupação mundial. A solução permite reaproveitar o que é desperdiçado ou um problema social para sanar em grafeno de alto valor agregado.
A produção de cimento emite até 8% do dióxido de carbono produzido pelo homem todos os anos. Uma concentração de apenas 0,1% do grafeno instantâneo no cimento usado para ligar o concreto pode diminuir seu impacto ambiental maciço por um terço.
Asfaltenes, um subproduto da produção de petróleo bruto, também são materiais residuais com potencial para produzir grafeno. O processo normal usa o material queimado para reutilização como combustível ou o descarta em tanques e aterros sanitários. Usar pelo menos parte da reserva mundial de mais de 1 trilhão de barris de asfalto como matéria-prima para a produção de grafeno também é uma opção.
Conclusão
Sistema produz de grafeno de alta qualidade, utilizando uma ampla gama de materiais de carbono, incluindo biomassa e plásticos reciclados.
O processo escalável transforma rapidamente carbono de qualquer fonte — resíduos de alimentos, resíduos de plástico, coque de petróleo, carvão, aparas de madeira, bicarbonato, etc.; em grafeno a granel. O processo proporciona benefícios ambientais ao transformar resíduos em grafeno valioso que pode fortalecer o concreto e/ou outros materiais compostos — tintas poliméricas, compósitos para aplicações térmicas, anticorrosivas e de impressão 3D, etc.
O processo transforma resíduos em grafeno turbostrático e pode ser ampliado para produzir quantidades em escala industrial. Um processo que redireciona hidrocarbonetos de petróleo e gás para gerar gás hidrogênio e carbono sólido com emissão zero de dióxido de carbono, pode ser a primeira etapa do processo de produção de grafeno instantâneo da Universidade de Rice, pois pode-se converter esse carbono sólido da saída em grafeno para concreto, asfalto, edifícios, carros, roupas e vários outros.
Ademais, o sistema transforma resíduos em grafeno turbostrático por meio de um processo que pode ser ampliado para produzir quantidades em escala industrial. Com o atual preço comercial do grafeno sendo $ 67.000 a $ 200.000 por tonelada, as perspectivas do processo da Universidade Rice são excelentes, extremamente mais vantajoso financeiramente.
A casca de banana transformada em grafeno contribui para uma redução maciça do impacto ambiental do concreto e outros materiais de construção. O processo permite também fornecer uma saída para o carvão em larga escala, convertendo-o de maneira barata em um material de construção com muito mais valor.
No processo — considerando resíduos de alimentos, dentre os vários possíveis materiais de origem para produção de grafeno; essencialmente, prende-se gases de efeito estufa como dióxido de carbono e metano que os resíduos de alimentos teriam emitido em aterros sanitários. Estes carbonos são convertidos em grafeno que, posteriormente, é adicionando ao concreto, que, por sua vez, diminui a quantidade de dióxido de carbono gerado na fabricação deste. Assim, cria-se um cenário ambiental em que todos saem ganhando ao se usar o grafeno.
O grafeno antidoping é possível através de abordagens de baixo para cima, como deposição química de vapor ou processos orgânicos sintéticos, mas geralmente produzem produtos em quantidades vestigiais ou defeitos no grafeno. Já o processo da Universidade de Rice é uma rota promissora, uma vez que produz grandes quantidades de grafeno “dopado com heteroátomo” rapidamente e sem solventes, catalisadores ou água.
A capacidade de sintetizar diretamente dopado o grafeno turbostrático leva a muito mais opções para produtos úteis. Esses novos átomos adicionados à matriz de grafeno permitem a criação de compostos mais fortes, uma vez que os novos átomos se ligam melhor ao material hospedeiro, como concreto, asfalto ou plástico. Os átomos adicionados também modificam as propriedades eletrônicas, tornando-as mais adequadas para dispositivos eletrônicos e ópticos específicos.
Artigo de referência?
Revista Nature: Gram-scale bottom-up flash graphene synthesis.
Mercado-alvo
Compósitos a granel de grafeno com plástico, metais, compensado, concreto e outros materiais de construção é um grande mercado para grafeno instantâneo, dentre outros.
Quem inventou ou comercializa?
John Van Leeuwen, CEO e Co-fundador.
James Tour, Co-fundador.
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