В Соединённых Штатах разработана технология извлечения оксида графена и водорода из природного газа, что открывает новые возможности для создания аккумуляторов и электронных устройств.
Исследователи из США совершили неожиданное открытие: им удалось получать оксид графена прямо из природного газа. Этот подход способен уменьшить расходы на производство и одновременно давать экологически чистый водород.
Евгения Васильева
Дэвид Стаак, доктор философии, демонстрирует плазменный реактор, используемый для преобразования метана в оксид графена и водород. Источник: Эмили Освальд / Texas A&M Engineering
Открытие принадлежит группе учёных из Техасского университета A&M (TAMU), расположенного в Колледж-Стейшн. По их словам, находка была сделана в ходе работы, изначально нацеленной на совершенствование методов получения водорода. Вместо того чтобы считать углерод отходом, команда поняла, что создала востребованный углеродный наноматериал, широко применяемый в батареях, электронике и передовых производствах.
Дэвид Стаак, доктор наук и доцент университета, пояснил, что первоначально исследователи фокусировались на водороде, а углерод воспринимали как сопутствующий продукт. «По мере углубления работы мы осознали, что получаемый нами углеродный материал оказался одним из наиболее значимых итогов», — поделился Стаак.
Случайная находка
Для этого проекта была создана плазменная установка, где используется метан — ключевой компонент природного газа — и нетермический контакт плазмы с водой, что позволяет синтезировать оксид графена высокой степени очистки. Побочным результатом процесса выступает водород.
Стаак отметил, что в настоящее время основная часть оксида графена производится из графита с помощью химически сложных методик. «Мы применяем принципиально иную стратегию, — заявил он. — Вместо того чтобы брать объёмный материал и дробить его, мы формируем материал из молекул метана».
Оксид графена представляет собой углеродный слой толщиной в один атом. Он славится своей прочностью, способностью проводить электричество и универсальностью. Этот материал активно используется в накопителях энергии, включая литий-ионные батареи, а также в покрытиях, композитах и других современных материалах.
Исследовательская группа, разработавшая новый метод получения оксида графена.
Источник фото: Эмили Освальд / Texas A&M Engineering
Традиционное производство сильно зависит от графита, большая часть которого ввозится в США из других стран. Ограниченные внутренние запасы графита и схожих материалов стимулируют интерес к альтернативным способам выпуска оксида графена.
Метод готов к промышленному применению
По утверждению исследовательской группы, это первый масштабируемый способ получения оксида графена из природного газа. Эксперименты показали, что метод позволяет выпускать однослойный оксид графена высокой чистоты в условиях обычного атмосферного давления.
Мика Грин, доктор наук и профессор Техасского университета в Арлингтоне, один из руководителей работы, подчеркнул значение этого достижения. «Это часть нового направления в промышленности — создавать ценные углеродные наноматериалы из нефтехимического сырья, — рассказал он. — Вместо того чтобы выбрасывать углерод, его превращают в твёрдые функциональные вещества».
Команда также выяснила, что полученный материал по своим характеристикам схож с коммерчески доступным оксидом графена. Это означает, что он может заметно сократить производственные издержки.
Грин добавил, что оксид графена особенно ценен из-за своей способности легко растворяться в воде. Это свойство позволяет использовать его в покрытиях, красках и самых разных производственных операциях.
«Я считаю, что университет обязан развивать науку и превращать её результаты в полезные технологии, которые приносят пользу нашему региону, — заявил он в пресс-релизе. — Промышленность обращается к университетам, чтобы понять, какие возможности существуют и как они могут изменить подход к ведению дел».
Стаак, в свою очередь, отметил, что данный процесс даёт возможность одновременно получать энергию и современные материалы. «Наша цель — разработать экономически оправданные решения, которые при этом помогут снизить объём выбросов», — резюмировал он.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Communications.
Результаты широко востребованы
Это открытие имеет значительные последствия для энергетической и материаловедческой отраслей, поскольку объединяет два ключевых направления современной промышленности: производство чистой энергии и создание высокотехнологичных материалов.
Традиционные методы получения оксида графена требуют использования агрессивных химикатов, таких как серная кислота и перманганат калия, что создаёт серьёзные экологические риски и увеличивает себестоимость конечного продукта.
В отличие от них, плазменный метод, разработанный в TAMU, работает при атмосферном давлении и не требует токсичных реагентов, что делает его не только более безопасным, но и потенциально более дешёвым. Особенно важно, что этот процесс позволяет утилизировать природный газ — ресурс, который в США добывается в больших объёмах, — превращая его не просто в топливо для сжигания, а в сырьё для производства ценного наноматериала.
Кроме того, попутное получение водорода решает одну из главных проблем водородной энергетики: отсутствие дешёвого и экологичного способа его производства.
В настоящее время основная часть водорода в мире получается из природного газа методом паровой конверсии метана, который сопровождается выбросами углекислого газа.
Плазменный метод, напротив, выделяет водород без образования CO₂, а углерод фиксируется в виде твёрдого оксида графена. Это означает, что в перспективе такие установки могут стать не просто источниками энергии, а полноценными платформами для безуглеродной экономики, где каждый компонент процесса находит своё применение.
Водород, полученный в процессе, станет топливом для транспорта и промышленности, а оксид графена — основой для следующего поколения электроники и накопителей. Таким образом, исследователи из Техаса не просто нашли неожиданный способ синтеза наноматериала, а показали принципиально новый путь к устойчивому развитию, где отходы одного процесса становятся ценным сырьём для другого.
Перспектива и коммерциализация
Коммерциализация этой технологии, по оценкам авторов, может быть осуществлена в ближайшие годы. Исследователи уже начали работать с промышленными партнёрами, чтобы адаптировать процесс для крупномасштабного производства.
Учитывая, что оксид графена используется в производстве аккумуляторов для электромобилей, гибкой электроники и даже в медицине, снижение его стоимости может ускорить внедрение этих продуктов на массовый рынок. Например, добавление оксида графена в электроды литий-ионных батарей увеличивает их ёмкость и скорость зарядки, что критически важно для развития электротранспорта.
Вместе с тем, переход от лабораторных экспериментов к промышленным масштабам потребует решения ряда инженерных задач. Одна из них — обеспечение стабильной работы плазменной установки в течение длительного времени без потери эффективности.
Также необходимо разработать эффективные методы очистки и сбора оксида графена, чтобы минимизировать потери материала. Однако первые результаты показывают, что выход продукта достаточно высок, а его качество не уступает коммерческим аналогам. Если эти проблемы будут решены, технология может стать основой для нового типа заводов, совмещающих производство энергии и материалов.
В долгосрочной перспективе это открытие может изменить подход к использованию природных ресурсов. Вместо того чтобы сжигать природный газ для получения энергии, его можно будет превращать в материалы, служащие десятилетиями.