A kenderrost “jobb, mint a grafén”

ACS Nano

A legtöbb ember nem igazán érti milyen változatos előnyökkel rendelkezik a kender növény (Cannabis sativa). Évszázadokon át egész kultúrák függtek ettől a szívós növénytől ruházat, szövet és papír előállításában. Ma is használják élelmiszer, üzemanyag, gyógyszer, építőanyagok és műanyagok alapanyagaként. Most pedig az energiatároló ipar kezdi észrevenni, köszönhetően egy kanadai kutatásnak, amely azt mutatja, hogy a kender alapú szén nanolapokból elektródákkal készült szuperkondenzátorok felülmúlják a szabványos szuperkondenzátorokat közel 200%-kal.

A grafén egy szén nanoanyag, amiről úgy tartják, hogy az egyik legjobb szuperkondenzátor elektróda alapanyag. A grafén előállítása azonban drága, akár 2000 dollár is lehet grammonként. Azzal a céllal, hogy egy kevésbé költséges megoldást találjanak, a University of Alberta/Nemzeti Nanotechnológiai Intézet (NINT) NRC, és az Alberta Innovates-Technology Futures professzor David Mitlin kémiai és anyagtudományi mérnök vezetésével, kifejlesztett egy eljárást a szálas kenderhulladék átalakítására egyedi grafén-szerű nanoanyagokká, amik felülmúlják a grafént. Mi több, a gyártás költsége kevesebb, mint $500 per tonna.

A kannabisz kérgét (bark) szén nanolapokká “főzték” és szuperkondenzátorokat építettek “amik olyan jók vagy jobbak voltak mint a grafén” – az ipari aranystandard. Elektromos autók és elektromos szerszámok tudnák hasznosítani ezt a kender technológiát, mondják az amerikai kutatók.

Az Amerikai Vegyész Társaság (American Chemical Society) találkozóján San Franciscoban mutatták be munkájukat.

“Munkánk tulajdonképpen egy nagyon olcsó és tömegesen gyártható gyártási eljárást tár fel grafén minőségű anyagból – ez olyasmi, amit még soha nem sikerült elérni”, mondja Mitlin.

“Grafén-szerű anyagokat készítünk egy ezred áron – és mindezt hulladékból.”

A titkos recept

Egyes országokban, többek között Kínában, Kanadában és az Európai Únió legtöbb országában, a kender ipari céllal termeszthető ruházat és építőanyagok előállítására. De a maradék rostszálak – a belső kéreg – általában hulladéklerakóban végzik.

Dr. Mitlin csapata fogta ezeket a szálakat és az újrahasznosította őket szuperkondenzátorokká – olyan energiatároló eszközökké, amelyeket megváltoztatják azt, ahogy az elektronikai eszközöket energiával látjuk el. A hagyományos elemek nagy mennyiségű energiát tárolnak és azt lassan csepegtetik, míg a szuperkondenzátorok képesek gyorsan leadni a teljes energiatartalékukat. Ezek ideálisak olyan gépekbe, amlyeknek erős energiafröccsökre van szükségük. Az elektromos autókban például szuperkondenzátorokat használnak a visszatápláló fékezéshez. Ennek a leadásnak a felszabadításához olyan elektródákra van szükség, amik nagy felülettel rendelkeznak – ez az egyik a grafén számos fenomenális tulajdonságai közül.

Erősebb, mint a gyémánt, job vezető, mint a réz és rugalmasabb, mint a gumi, egy igazi “csoda anyag”. 

De míg ez az egyrétegű szén a csúcstechnológiás szuperkapacitátorok alapanyaga, megfizethetetlenül drága. Az olcsó, fenntartható alternatívák megtalálása Dr. Mitlin egykori kutatócsoportjának specialitása az Alberta Egyetemen. Kísérleteztek már a biohulladék minden formájával – a tőzegmohától a tojásig. Legutóbb banánhéjból csináltak elemeket.

“Nagyon érdekes dolgokat lehet csinálni a biohulladékkal, igazából rájöttünk mi a titkos recept.” – mondta Dr. Mitlin.

A trükk az, hogy személyre szabottan kell összepárosítani a megfelelő növényi rostot a megfelelő elektromos berendezéssel – azok szerves szerkezétől függően.

“A banán héját egy sűrű széntömbé lehet alakítani – hívhatjuk pszeudo-grafitnak -, és ez nagyszerű nátrium ion akkumulátorokba,” magyarázta.

“De ha megnézzük a kenderrost szerkezetét, az ennek pont az ellentéte – nagy felületű lemezek készíthetők belőle – és ez nagyon kedvező a szuperkondenzátorok esetében.”

“Az első lépés, hogy megfőzzük – majdnem úgy mint egy kuktában. Ezt úgy hívják hidrotermális szintézis. A lignin és a semicellulóz feloldása után, megmaradnak ezek a szén nanolapok – ami egy pszeudo-grafén szerkezet.”

Ezeknek a lapoknak az elektródákká alakításával és ionos folyadék hozzáadásával, ami elektrolitként funkcionál, Dr. Mitlin és csapata olyan szuperkapacitort gyártott, amelyek széles hőmérséklet-tartományban és nagy energiasűrűségben működnek.

“Ez az új prekurzor-szintézis módszer hatalamas lehetőségeket kínál a nagy teljesítményű szénalapanyagok széleskörű előállításához számos különböző alkalmazás esetében, beleértve az energiatárolást, a hordozható elektronikát, s szünetmentes áramforrásokat, az orvosi eszközöket, a terheléselosztást és hibrid elektromos járműveket.” 

A közvetlen összehasonlítást a rivális készülékekkel bonyolítják a teljesítmény mérésében való eltérések.

De Mitlin lektorált cikke a készüléket “legalább olyan jónak, vagy jobbnak tartja, mint a kereskedelmi grafén alapú eszközöket”.

“Egészen 0oC fokig működnek és a legjobb teljesítmény-energia kombinációt mutatják a szén alapanyagok irodalomában. Például egy nagyon nagy teljesítményen, 20 kW/kg (kilowatt kilónként) és 20, 60 és 100°C hőmérsékleteken az energia sűrűsége 19, 34 és 40 Wh/kg (wattóra kilónként).”

Teljesen összeszerelve energiasűrűségük 12 Wh/kg, amely kevesebb, mint hat másodperces töltési idő alatt érhető el.

Az ipari kender a válasz a kőolaj függőségünkre

Ipari növekedés

“Nyilvánvaló, hogy a kender nem képes mindenre, amire a grafén képes” – mondja Dr. Mitlin.

“De energiatárolásra ugyanúgy működik, és az ára a töredéke – 500-1000 dollár/tonna.”

Az alapelvek lefektetésével, az Alta Supercaps startup cég abban reménykedik, hogy hamarosan megkezdheti a kisüzemi gyártást. Az eszközöket az olaj- és gázipar számára tervezi – ahol fontos a magas hőmérsékleten történő működés. Az Egyesült Államokban ez a lépés egybeesik a szabályozosások változásával – ami azt jelzi, hogy a kender most visszatérhet. Kínában széles körben termesztik, Kanadában pedig a textilipari ágazata növekszik.

“Ötven mérföldnyire az albertai házamtól egy mezőgazdasági kenderfeldolgozó üzem volt. Az a sok rost ott fekszik egy nagy raktárban és nem tudnak mit csinálni vele” – mondta Dr. Mitlin a BBC-nek.

“Ez egy hulladéktermék, aminek értékes felhasználási módjai vannak, és az emberek szinte azért fizetnek, hogy elvigyék.”

Forrás:
https://www.asme.org/engineering-topics/articles/energy/hemp-carbon-makes-supercapacitors-superfast
http://www.bbc.com/news/science-environment-28770876

https://www.acs.org/content/acs/en/pressroom/newsreleases/2014/august/could-hemp-nanosheets-topple-graphene-for-making-the-ideal-supercapacitor.html