پژوهشگران دانشگاه تبریز روشی بسیار ارزان و سریع برای تولید گرافن پیدا کردند
برای نخستین بار در جهان پژوهشگران کشورمان در دانشگاه تبریز موفق به ابداع روشی برای تولید گرافن در مقیاسی کاملا صنعتی شده‌اند که قیمت محصول نهائی را تا ۹۸ درصد کاهش می‌دهد. انتظار می‌رود این یافته‌ی علمی تحول عظیمی در تولید و توسعه‌ی محصولات مبتنی بر گرافن از جمله باتری‌ها، ابرخازن‌ها و پیل‌های سوختی ایجاد کند.
در حال حاضر گرافن اکساید احیاء شده پر مصرف‌ترین شکل گرافن است که با وجود تفاوت‌های ساختاری، در بسیاری از موارد بجای گرافن مورد استفاده قرار می‌گیرد و حتی در برخی موارد نظیر جاذب‌های امواج الکترومغناطیسی بر گرافن ارجحیت دارد. با توجه به کاربردهای متعدد و گسترده‌ی گرافن، تحقیقات فراوانی در زمینه تولید این ماده به روش‌های مختلف انجام شده، اما باوجود پیشرفت‌های حاصل، تا پیش از این، روشی کاملاً صنعتی ابداع نشده بود که قیمت ۱۶۹ دلار به ازای هر گرم گرافن شاهدی بر این مدعا است. اما حال به کمک روش توسعه داده شده در کشورمان علاوه بر کاهش هزینه‌ی تولید به زیر ۳ دلار در هر گرم، زمان تولید نیز از چندین روز به چند ساعت تقلیل یافته است. نتایج این تحقیق در نشریه Scientific Reports منتشر شده و خلاصه‌ای از مطالب آن در ادامه برای آشنائی علاقه مندان آورده شده است.
در سال‌های اخیر گرافن به عنوان آلوتروپی از کربن با خواصی استثنائی نظیر سطح ویژه‌ی بسیار زیاد (۲۶۰۰ مترمربع بر گرم)، خواص مکانیکی مطلوب (ماژول یانگی برابر با یک تراپاسکال) و رسانائی الکتریکی و حرارتی بالا توجهات بسیاری را به خود جلب کرده است. در همین راستا تلاش‌های گسترده‌ای برای استفاده از گرافن در زمینه‌های متنوعی نظیر داروسازی، ذخیره سازی هیدروژن، پیل‌های سوختی، ابرخازن‌ها، باتری‌ها، سلول‌های خورشیدی، کامپوزیت‌های پلیمری و... صورت پذیرفته است. تا کنون روش‌های متعددی برای تولید گرافن توسعه داده شده‌اند که بطور کلی به دو دسته‌ی پائین به بالا و بالا به پائین قابل تفکیک هستند.
در فرآیندهای پائین به بالا، گرافن از چینش اتم‌های کربن در کنار هم تولید میشود، در حالی که فرآیندهای بالا به پائین بر پایه تورق گرافیت استوار هستند. محصول تولید شده توسط فرآیندهای پائین به بالا معمولا کیفیت مطلوبی دارد، اما بسیار هزینه‌بر بوده و فعلاً ظرفیت تولید اندکی دارند. در طرف مقابل، به دلیل هزینه‌ی کمتر و سادگی فرآیندها و تجهیزات مورد نیاز و همچنین کیفیت محصول قابل قبول، روش‌های مبتنی بر تورق گرافیت با اقبال بیشتری مواجه شده‌اند.
در میان روش‌های متعدد تورق گرافیت، فرآیندهای مبتنی بر اکسیداسیون گرافیت بیشترین بازده و ظرفیت تولید را ارائه می‌کنند. در این فرآیندها گرافیت در محیط‌های اکسید کننده بسیار شدیدی قرار می‌گیرد که در اثر آن گروه‌های عاملی متعددی (عمدتاً حاوی اکسیژن) به لایه‌های سازنده‌ی آن الحاق می‌شوند که باعث میشود فاصله‌ی صفحات گرافیت به شکل قابل توجهی افزایش یابد.
در اثر الحاق گروه‌های عاملی یاد شده و افزایش فاصله‌ی صفحات گرافیت، نیروهای واندروالسی که لایه‌های گرافن را در ساختار گرافیت روی هم نگه داشته‌اند تضعیف شده و با صرف انرژی اندکی می‌توان این لایه‌ها را از هم جدا کرد. محصول این مرحله گرافیت اکساید است که باید پس از شستشو و جداسازی عوامل شیمیائی اکسیدکننده، توسط امواج فراصوت متورق شود که در نتیجه‌ی آن سوسپانسیونی پایدار از گرافن اکساید بدست می‌آید.
در مرحله‌ی بعد با افزودن عوامل شیمیایی احیا کننده نظیر هیدرازین هیدرات به سوسپانسیون گرافن اکساید، بخش عمده‌ای از گروه‌های عاملی متصل شده به لایه‌های گرافن از آن جدا می‌شوند که به محصول این مرحله گرافن اکساید احیا شده گفته میشود. گرافن اکساید احیاء شده در بسیاری خواص شباهت فراوانی با گرافن دارد، ولی بدلیل وجود برخی عیوب ساختاری ناشی از فرایند اکسیداسیون و باقی ماندن بخشی از گروه ه‌های عاملی حتی پس از احیا، اختلاف‌های قابل توجهی در مقایسه بعضی از خواص آنها نظیر رسانایی الکتریکی مشاهده میشود. با وجود این مسائل روش‌های تورق مبتنی بر اکسیداسیون و احیا جزو اصلی‌ترین و پرکاربردترین فرایندهای تولید گرافن هستند و بخش عمده‌ای از نیاز بازار به گرافن از این مجاری تامین میشود.
با وجود سادگی نسبی فرایندهای تورق اکسیداسیونی گرافیت، گلوگاه‌هایی در پروسه‌ی تولید وجود دارند که ظرفیت تولید را کاهش و زمان فرایند را به شدت افزایش می‌دهند. شستشوی اکسید گرافیت و جداسازی مواد اکسید کننده از آن شاید در ظاهر مسئله‌ی ساده‌ای به نظر برسد، اما در عمل به عنوان مهمترین مانع بر سر راه تولید انبوه گرافن مطرح است. هرچند اتصال گروه‌های عاملی به گرافن باعث تسهیل فرایند تورق گرافیت میشود، اما به محصولی منجر میشود که شدیدا آب‌دوست است و همین مسئله باعث میشود تا فرایند شستشوی آن بسیار زمان‌بر شده و به تجهیزات خاصی نظیر سانتریفیوژهایی با سرعت و ظرفیت بالا نیاز باشد.
روش‌های مبتنی بر فیلتراسیون نیز برای شستشوی اکسید گرافیت پاسخگو نیستند، زیرا همین گروه‌های عاملی نوعی چسبندگی بین ذرات گرافن اکساید ایجاد می‌کنند که باعث میشود حفره‌های فیلترها به سرعت مسدود شوند.
تاثیر فرایند شستشو در بازده تولید زمانی مشخص‌تر میشود که بدانیم در برخی موارد (بسته به فرایند اکسیداسیونی مورد استفاده) بیش از ۹۰ درصد زمان تولید به فرایند شستشو اختصاص داده میشود. علاوه بر این، سانتریفیوژهایی با سرعت چرخش بالا که توانایی جداسازی نانوذرات گرافن اکساید از آب را داشته باشند، بسیار گران قیمت هستند و ظرفیت‌شان به قدری محدود است که حتی با افزایش تعداد آنها ظرفیت تولید روزانه نمی‌تواند از چند صد گرم فراتر رود.
مشکل دیگری که در تولید گرافن با استفاده از روش‌های مرسوم مطرح است، چندین مرحله‌ای بودن فرآیند تولید است، به عبارت دیگر انجام فرایندهای اکسیداسیون و احیا طی دو واکنش مجزا علاوه بر افزایش هزینه‌ها باعث طولانی شدن فرایند تولید میشود.
اما در روش خلاقانه ابداع شده توسط محققان کشورمان، پودر گرافیت در محلولی از پرمنگنات پتاسیوم و اسید سولفوریک غلیظ اکسید و در بازه‌های زمانی مشخصی با استفاده از امواج فراصوت متورق میشود. اکسیداسیون و تورق توأم باعث میشود تا نه تنها گرافیت بطور کامل‌تری اکسید شود بلکه زمان فرایند اکسیداسیون نیز کاهش یابد.
در ادامه‌ی فرایند و پیش از هر گونه اقدامی برای جداسازی مواد اکسید کننده از اکسید گرافن، با افزودن اسکوربیک اسید، اکسید گرافن در حضور مواد اکسید کننده احیا میشود. احیای اکسید گرافن به معنی جدا شدن گروه‌های عاملی و از بین رفتن آب‌دوستی اکسید گرافن است که شستشوی آن را به شکل قابل توجهی تسهیل می‌کند. مزیت دیگر این روش در ادغام دو فرآیند جداگانه‌ی اکسیداسیون و احیا است که باعث میشود زمان فرایند کلی کاهش یابد. علاوه بر این میزان مصرف آب نیز به دلیل حذف یک مرحله شستشو کاهش می‌یابد.
به دلیل آب‌گریز بودن اکسید گرافن احیا شده می‌توان از روش‌های متنوعی برای شستشوی آن استفاده کرد اما صنعتی‌ترین روش که کمترین میزان مصرف آب را نیز به همراه دارد، استفاده از روش‌های فیلتراسیون است، زیرا با حذف گروه‌های عاملی، دیگر حفره‌های فیلتر به وسیله‌ی ذرات گرافن مسدود نمی‌شوند و بدین ترتیب با حذف گلوگاه‌های یاد شده، فرآیند تولید قابلیت صنعتی سازی پیدا می‌کند.
این مقاله توسط سینا عبدالحسین‌زاده، از اعضای تیم پژوهشی دانشگاه تبریز به طور اختصاصی در اختیار زومیت قرار گرفت.