グラフェン合成のための革新的かつ効果的な触媒としてのカルシウム

Scientific Reports volume 12、記事番号: 21492 (2022) この記事を引用

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リグノセルロース系バイオマス（硬質炭素）の熱分解により、黒鉛質の悪いバイオ炭が生成されます。 この研究では、従来とは異なる触媒としてカルシウムを使用して、微結晶セルロースからナノ構造バイオ炭が生成されました。 カルシウムは豊富で環境に優しく、広く入手可能です。 カルシウム含浸セルロースの黒鉛化は、通常黒鉛化が起こる2000℃未満の温度である1800℃で実行されました。 XRD、ラマン分光法、高分解能 TEM と社内で開発された数値ツールを組み合わせることで、バイオ炭中のグラフェン縞の定量化が可能になります。 非含浸セルロースバイオ炭は、短くて積層が不十分なグラフェン縞で構成されていました。 2 wt.% のカルシウムの含浸により、初期構造がよく組織化された欠陥の少ないグラフェン状構造に変換されました。 得られたグラフェン状構造は、結晶子サイズが最大 20 nm、平均層間間隔が 0.345 nm で、標準的な六方晶グラファイトの基準値 (0.3354 nm) に近い、数十の積層グラフェン縞で構成されていました。 カルシウム濃度の増加は、グラフェン状材料の結晶子サイズを大幅に改善しませんでしたが、むしろその速度を大幅に改善しました。 私たちの結果は、文献が特に鉄やニッケルなどの遷移金属に焦点を当てている場合に、カルシウムを使用したバイオ原料からのグラフェン様材料の合成に関するメカニズムを提案し、新たな洞察を提供します。 黒鉛化温度が 2000 °C 未満に低下すると、バイオマスを使用した熱グラフェン様材料合成の環境への影響だけでなく、製造コストも低下するはずです。 この発見は、この分野でのさらなる研究を刺激し、応用の視野を広げるはずです。

グラフェンは、1 原子層を厚さとした二次元炭素材料です1。 グラフェン シートは、カーボン ナノチューブ、フラーレン、炭素繊維、カーボン ブラック、またはグラファイトの前駆体です2、3、4。 グラフェンシートの長さや配向などの特性に応じて、導電性、機械的または熱的抵抗など、さまざまな特性が発現する可能性があります5、6。 したがって、グラフェンは高性能材料として考えられており、電池、エネルギー貯蔵、エレクトロニクス、生物学などの幅広い用途に有望です4,7,8,9,10,11。

現在、グラフェンは化石原料からトップダウンプロセスまたはボトムアッププロセスのいずれかによって製造できます3,12,13,14,15,16。 トップダウンプロセスには、抽出されたグラファイトを機械的または化学的に剥離してグラフェンシートを分離することが含まれます。 ボトムアッププロセスには、ガス状炭化水素前駆体からのグラフェンの合成が含まれます。 各プロセスの長所と短所は、文献で以前に説明されています 17、18。 ほぼすべてのプロセスでは化石炭素源が使用され、高いエネルギーを必要とします。 均質で欠陥のないグラフェンの業界規模でより環境に優しい生産を管理することは、グラフェンのさらなる商業利用を構想する上での主要な課題の 1 つです。 生物資源（バイオマス、生物廃棄物など）からグラフェンのような材料を製造できれば、優れた特性を備えた新しい材料への道が開かれるでしょう。 このアプローチは、化学物質やさまざまな溶媒を使用する標準的なグラフェン製造技術とは対照的に、グラフェン状材料の合成による環境への影響を軽減します。

セルロースは再生可能な資源であり、地球上で最も豊富に存在する有機ポリマーです。 セルロースは世界中で製紙に使用されており、安価で広く入手できます。 その構造も、リグニンやヘミセルロースと比較して、リグノセルロース系バイオマスの中で比較的均一です。 バイオマスからグラフェン様材料を合成する主なアプローチは、グラフェン様バイオ炭を生成する熱分解です。 セルロースは、sp3 炭素のみを含む長鎖の D-グルコース分子で構成されています。 セルロースの熱分解中、sp3 炭素は複数の複雑な化学再配列を経て sp2 炭素に変換され、芳香族環を形成します 19。 このため、セルロースは黒鉛化に適した材料ではありません。