Chemici přišli s levnou a šetrnou metodou výroby grafenu

Grafen je materiál snů. Supertenká forma uhlíku strukturou podobná grafitu, geometrií včelímu plástu, je velmi lehká, zároveň jde o nejpevnější známý materiál na světě. Jeho použití je od medicíny, přes elektrotechniku až po materiálové inženýrství. Současné metody výroby grafenu jsou ale nákladné, rizikové a nesou s sebou i velkou environmentální zátěž. Tým docenta Pavla Pazdery z Ústavu chemie Přírodovědecké fakulty MU přišel s řešením, které umožní grafen vyrábět levně a bez negativních dopadů na životní prostředí.

21. 5. 2019 Iveta Zieglová

„Monovrstva grafenu má skutečně skvělé mechanické vlastnosti, hlavně co se týče pevnosti. Materiál je to tak lehký, že kdybyste měli desetilitrový pytel plný grafenu, vážil by půl kila. Jeho výroba je ale technologicky natolik náročná a drahá, že se zatím využívá hlavně v aplikacích, kde je vysoká přidaná hodnota, jinak se firmám jeho použití prostě nevyplatí. Může jít třeba o polovodičové součástky, mikroprocesory, baterie a akumulátory, materiály pro letecký průmysl, sorbenty a tak dále,“ vysvětluje Pazdera.

V současnosti se průmyslový grafen připravuje dvěma způsoby. Jedna metoda jde "zdola nahoru", kdy se typicky na měděné destičky napařuje uhlík; jde ale o proces velmi složitý a technologicky náročný. Druhou metodou je syntéza "shora dolů", kdy je výchozí materiál o tloušťce několika vrstev postupně ztenčován, v ideálním případě pouze na výšku jediného atomu uhlíku, takzvanou monovrstvu. „V tomto případě se musí provést takzvaná interkalace čili vsunutí vhodných látek mezi vrstvy uhlíku. Po zahřátí se tyto látky přemění na plyn a ten od sebe uhlíkové vrstvy odtrhne, dochází k takzvané oxidativní exfoliaci. Problém je, že se při tomto procesu mohou ve vrstvě grafenu udělat díry, což zhoršuje vlastnosti výsledného materiálu,“ dodává Pazdera s tím, že rizikový je i samotný proces, kdy dochází k vytváření silně výbušných směsí.

Velkým limitem současné výroby je taky environmentální zátěž. Při výrobě grafenu vzniká vodný odpad obsahující ekotoxické soli těžkých kovů manganu a chromu. Následná likvidace takového odpadu firmám výrazně zvyšuje výrobní náklady a limituje tak použití grafenu v průmyslové výrobě.

Odpad? Voda a sůl

Vědci z Masarykovy univerzity přišli s vlastním řešením, jak grafenoidy připravit, a to levně a bez environmentální zátěže. „Od roku 2017 máme patentovaný proces, který není dokonale ekologický, protože se odehrává v kyselině octové. Metodu se nám ale podařilo dál vylepšit tak, že jediným odpadem našeho současného způsobu přípravy je voda a chlorid sodný, případně pouze voda. Tento vynález vedeme na MU v režimu utajovaného know-how,“ říká Pazdera. Postup je prý tak jednoduchý, že by se zveřejněním v patentové přihlášce vše prozradilo. „Jediné, co můžu o metodě říct, že se pracuje ve vodě a používáme zcela běžná oxidační činidla, případně s katalyzátory,“ dodává s úsměvem.

Právě jednoduchost je to, o co ve svém výzkumu usiluje. „Vše musí být levné, účinné, a tím sofistikované. Jde vlastně o triviální řešení netriviálního problému. Ale aby byl člověk schopen s jednoduchým řešením přijít, musí složitý problém poznat velice dobře a do hloubky,“ tvrdí Pazdera.

Tento princip ctí i jeho další vynálezy. Třeba průtokový reaktor s mikrovlnným zdrojem a katalytickým ložem, na kterém v posledních třech letech pracoval se svým týmem mimo jiné díky finanční podpoře Proof of Concept z projektu TA ČR Gama. Na první pohled podivně upravená mikrovlnná trouba v jeho laboratoři je ve skutečnosti funkčním vzorkem přístroje, který za přítomnosti vhodného levného imobilizovaného katalyzátoru umí urychlit chemické reakce z 24 hodin na desítky minut. „Používáme šetrnou metodu, jsme energeticky úsporní, protože nám stačí ekvivalent desetiny výkonu domácí mikrovlnné trouby, což jsou řádově desítky wattů. A využíváme synergii hned několika různých metod, které v našem průtočném zařízení kombinujeme,“ vysvětluje. I tento vynález má podle něj šanci uchytit se v průmyslové i laboratorní praxi. Nadnárodní auditorská společnost PricewaterhouseCoopers nacenila komplexní řešení částkou přes 20 milionů amerických dolarů. O licencování zařízení už probíhají jednání například se soukromou firmou Entwick.

Zelená chemie firmy zajímá

Výzkumem Pavla Pazdery a jeho týmu se jako „zelená“ nit vine i téma takzvaných „green“  nebo také „udržitelných“ procesů. A firmy zajímají nejen proto, že šetří životní prostředí. „Cílem podniků je především zisk. To, že se dá podnik na environmentálně šetrné postupy souvisí hlavně s minimalizací nákladů, třeba těch spojených s likvidací nebezpečného odpadu, ale také s minimalizací dalších rizik,“ říká pragmaticky Pazdera.

Jeho „zelené“ grafenoidy už zaujaly firmu Senergos, která se v minulých letech finančně podílela na jejich vývoji. Nyní hledá vědecký tým investora, který by projekt dál financoval. „Máme navrženou plně automatizovanou výrobní linku, kterou je potřeba sestrojit a odzkoušet. Hledáme aplikační možnosti, kdy se jako jedna oblast nabízejí materiálové vlastnosti, druhou jsou sorpční a desorpční procesy. Co se týče materiálových i dalších aplikačních zkoušek, u těch nás zatím limituje financování. Sorpční procesy úspěšně testujeme s Univerzitou de La Laguna na Tenerife, kde jsme zkoušeli z odpadních vod lapat zbytková léčiva a dařilo se nám to velice efektivně, dostali jsme se na nízké koncentrace, kterých třeba aktivní uhlí není schopné,“ chválí si Pazdera.

Výzkumníci řeší ještě jeden problém. „Lístečky grafenu mají nejlepší mechanické vlastnosti, když nejsou v materiálu rozmístěné nahodile, ale když jsou zorientované, takže hledáme metodu, jak je zorientovat. Pokud se nám podaří i tento problém vyřešit, bude to velmi významný vynález, protože bychom získali relativně levný produkt, vlastník know-how by měl tržní výhodu a dá se proto očekávat velká poptávka,“ uzavírá Pazdera.

Suchý grafenový produkt a jeho vodná disperze

Více článků

Přehled všech článků