Мгновенное джоулевое нагревание перерабатывает пластик в наноматериал для имплантатов

17 февраля 2023 г. Автор: Шон Вули

Мгновенное джоулевое нагревание можно использовать для изготовления углеродных нанотрубок и углеродных нановолокон из смешанных пластиковых отходов. Этот метод на 90% более эффективен, чем существующие производственные процессы. Диаметр нанотрубок можно контролировать, изменяя используемую мощность или катализатор. (Изображение предоставлено лабораторией Тура/Университетом Райса)

Ученые из Университета Райса разработали способ превратить переработанные пластиковые отходы в гибридный углеродный наноматериал для множества применений.

Исследователи ожидают, что к 2050 году производство пластика утроится, а количество пластиковых отходов во всем мире увеличилось вдвое за последние 20 лет. По их словам, большая часть отходов попадает на свалки, сжигается или иным образом подвергается неправильному обращению, со ссылкой на Организацию экономического сотрудничества и развития.

Согласно пресс-релизу, по некоторым оценкам, перерабатывается только 5% отходов.

Аспирант Райс и ведущий автор исследования Кевин Висс и его команда нашли новый способ максимально эффективно использовать эти отходы. Исследование, опубликованное в журнале Advanced Materials, продемонстрировало, как Висс и его коллеги из лаборатории химика Джеймса Тура использовали импульсное джоулевое нагревание для превращения пластика в ценные углеродные нанотрубки и гибридные наноматериалы.

«Мы смогли создать гибридный углеродный наноматериал, который превзошёл по своим характеристикам как графен, так и коммерчески доступные углеродные нанотрубки», — сказал Висс.

Такие наноматериалы обладают прочностью и химической устойчивостью при низкой плотности и большой площади поверхности. В сочетании с проводимостью и способностью широкополосного электромагнитного поглощения они могут использоваться в медицине, промышленности и электронике.

«Что было действительно интересно в наших результатах на этот раз, так это то, что мы смогли сделать эти углеродные нанотрубки с кусочками графена, прикрепленными на концах», — сказал Висс. «Вы можете думать о структуре этого нового гибридного наноматериала как о ростках фасоли или леденцах. Обычно их очень сложно сделать, и тот факт, что мы смогли сделать их из пластиковых отходов, действительно особенный».

По мнению исследователей, структура этого наноматериала улучшает его характеристики.

Висс по сравнению с выдергиванием нити пряжи из свитера. Если потянуть за «прямую и гладкую» веревку, она может довольно легко вырваться и испортить переплетение. В случае этих углеродных нанотрубок наличие на концах массы графена затрудняет их удаление, что укрепляет композит.

«Вы также можете думать об этом так: если у вас есть заноза, ее легко вынуть. Но если вас уколют чем-то загнутым на конце, например рыболовным крючком, вытащить его будет намного сложнее», — объяснил Висс.

Исследователи «прожигают» пластик при температуре более 3100 Кельвинов (около 5120 градусов по Фаренгейту). Они измельчают материал на мелкие кусочки, добавляют железо и подмешивают другой углерод — например, древесный уголь — для проводимости.

По мнению исследователей, импульсный джоулевый нагрев предлагает «значительно» более энергоэффективные преимущества по сравнению с существующими процессами. Они говорят, что это дает больше экологических преимуществ по сравнению с существующими методами производства нанотрубок.

«Переработка пластика обходится дороже, чем просто производство нового пластика», — добавил он. «Экономических стимулов для переработки пластика очень мало. Вот почему мы обратились к вторичной переработке, то есть превращению малоценных отходов во что-то с более высокой денежной или потребительской ценностью. Если мы сможем превратить отходы пластика во что-то более ценное, тогда люди смогут зарабатывать деньги на ответственности за обращение с выброшенным пластиком».

«По сравнению с коммерческими методами производства углеродных нанотрубок, которые используются сейчас, наш метод использует примерно на 90% меньше энергии и генерирует на 90–94% меньше углекислого газа», — сказал Висс.