Papierabfälle, zu denen entsorgte Papiertüten, Pappe, Zeitungspapier und andere Papierverpackungen gehören, haben im Vergleich zu ihren Gegenstücken aus Baumwolle und Kunststoff einen großen ökologischen Fußabdruck. Wenn sie verbrannt werden, tragen sie erheblich zur globalen Erwärmung bei und bergen das Potenzial für die Ökotoxizität ihrer Herstellung.
Wissenschaftler aus Nanyang Technologische Universität, Singapur (NTU Singapore) haben eine Technik entwickelt, um Altpapier aus Einwegverpackungen, Tüten und Kartons in einen entscheidenden Bestandteil umzuwandeln Lithium-Ionen-Batterien.
Die aktuelle Innovation, die die Möglichkeit bietet, Abfallprodukte zu recyceln und unsere Abhängigkeit von Abfallprodukten zu verringern fossile Brennstoffe Während wir unseren Übergang zu einer Kreislaufwirtschaft, grünen Materialien und sauberer Energie beschleunigen, spiegelt es das Engagement der NTU wider, unsere Auswirkungen auf die Umwelt zu minimieren, eine von vier großen Herausforderungen für die Menschheit, denen die Universität mit ihrem Strategieplan NTU 2025 begegnen möchte.
Wissenschaftler nutzten einen Prozess namens Karbonisierung, um Papier in reinen Kohlenstoff umzuwandeln. Mit diesem Verfahren verwandelten sie die Fasern des Papiers in Elektroden, die zu wiederaufladbaren Batterien verarbeitet werden können, die Mobiltelefone, medizinische Geräte und Elektrofahrzeuge mit Strom versorgen.
Anschließend karbonisierten Wissenschaftler das Papier, indem sie es hohen Temperaturen aussetzten. Dadurch wird es zu reinem Kohlenstoff, Wasserdampf und Ölen reduziert, die verwendet werden können Biotreibstoff. Da die Karbonisierung in Abwesenheit von Sauerstoff erfolgt und nur minimales Kohlendioxid erzeugt, ist es eine umweltfreundlichere Methode zur Entsorgung von Kraftpapier als die Verbrennung, bei der viele Mengen freigesetzt werden Treibhausgase.
Die Kohlenstoffanoden des Forschungsteams zeigten außerdem eine verbesserte Zähigkeit, Anpassungsfähigkeit und elektrochemischen Eigenschaften. Laborstudien zufolge sind die Anoden mindestens doppelt so robust wie die in heutigen Telefonbatterien und können 1,200 Lade- und Entladevorgänge aushalten. Die von der NTU hergestellten anodenbasierten Batterien hielten physischer Belastung besser stand als ihre Konkurrenten und absorbierten bis zu fünfmal mehr Zerkleinerungsenergie.
Darüber hinaus ist die neu entwickelte Methode weniger energieintensiv. Es werden kostengünstige Abfallmaterialien verwendet und es wird erwartet, dass auch die Herstellungskosten gesenkt werden.
Assistenzprofessor Lai Changquan von der School of Mechanical & Aerospace Engineering der NTU, der das Projekt leitete, sagte: „Papier wird in unserem täglichen Leben in vielen Bereichen verwendet, von Geschenkverpackungen und Kunsthandwerk bis hin zu einer Vielzahl industrieller Anwendungen, wie z. B. Hochleistungsverpackungen, Schutzverpackungen und dem Füllen von Hohlräumen im Bauwesen. Allerdings wird bei der Entsorgung außer der Verbrennung, die aufgrund ihrer Zusammensetzung hohe Kohlenstoffemissionen verursacht, kaum etwas dagegen getan. Unsere Methode, Kraftpapier neues Leben einzuhauchen und es in den wachsenden Bedarf an Geräten wie Elektrofahrzeugen und Smartphones zu lenken, würde dazu beitragen, den COXNUMX-Ausstoß zu reduzieren und die Abhängigkeit von Bergbau und Schwerindustriemethoden zu verringern.“
Die NTU-Wissenschaftler verbanden und schnitten mehrere dünne Blätter Kraftpapier mit einem Laser, um verschiedene Gittertopologien zu erzeugen, von denen einige einer spitzen Piata ähnelten, um die Kohlenstoffanoden zu erzeugen. Anschließend wurde das Papier in einem sauerstofffreien Ofen bei 1200 Grad Celsius verbrannt, um es in Kohlenstoff umzuwandeln und so die Anoden herzustellen.
Mitautor der Studie, Herr Lim Guo Yao, ein Forschungsingenieur an der NTU School of Mechanical & Aerospace Engineering, sagte: „Unsere Anoden zeigten eine Kombination von Stärken wie Haltbarkeit, Stoßdämpfung und elektrische Leitfähigkeit, die in aktuellen Materialien nicht zu finden sind. Diese strukturellen und funktionellen Eigenschaften zeigen, dass unsere Anoden auf Kraftpapierbasis eine nachhaltige und skalierbare Alternative zu aktuellen Kohlenstoffmaterialien sind und in anspruchsvollen, hochwertigen, multifunktionalen Anwendungen wie dem aufstrebenden Bereich der Strukturbatterien einen wirtschaftlichen Wert finden würden.“
Assistenzprofessor Lai Changquan von der School of Mechanical & Aerospace Engineering der NTU, der das Projekt leitete, sagte: „Unsere Methode wandelt ein weit verbreitetes und allgegenwärtiges Material – Papier – in ein anderes äußerst haltbares und stark nachgefragtes Material um. Wir hoffen, dass unsere Anoden den schnell wachsenden Bedarf der Welt an einem nachhaltigen und umweltfreundlicheren Material für Batterien decken werden, dessen Herstellung und unsachgemäße Abfallentsorgung nachweislich negative Auswirkungen auf unsere Umwelt haben.“
Professor Juan Hinestroza vom Department of Human Centered Design der Cornell University, USA, der nicht an der Forschung beteiligt war, betonte die Bedeutung der Arbeit des NTU-Forschungsteams und sagte: sagte"Da Kraftpapier in sehr großen Mengen produziert und überall auf der Welt entsorgt wird, glaube ich, dass der kreative Ansatz der Forscher an der NTU Singapur ein großes Potenzial für eine globale Wirkung hat. Jede Entdeckung, die die Verwendung von Abfällen als Rohstoff für hochwertige Produkte wie Elektroden und Schäume ermöglicht, ist in der Tat ein großer Beitrag. Ich denke, dass diese Arbeit einen neuen Weg eröffnen und andere Forscher dazu motivieren könnte, Wege für die Umwandlung anderer zellulosebasierter Substrate wie Textilien und Verpackungsmaterialien zu finden, die auf der ganzen Welt in großen Mengen weggeworfen werden.“
Journal Referenz:
- Chang Quan Lai, Guo Yao Lim, Kai Jie Tai, Kang Jueh Dominic Lim, Linghui Yu, Pawan K. Kanaujia, Peiyuan Ian Seetoh. Außergewöhnliche Energieabsorptionseigenschaften und Druckelastizität funktioneller Kohlenstoffschäume, skalierbar und nachhaltig aus additiv hergestelltem Kraftpapier abgeleitet. Additive Fertigung, 2022; 58: 102992 DOI: 10.1016/j.addma.2022.102992
