Паперові відходи, які включають утилізовані паперові пакети, картон, газети та іншу паперову упаковку, мають значний вплив на навколишнє середовище порівняно з аналогами з бавовни та пластику. Вони значною мірою сприяють глобальному потеплінню, коли їх спалюють, і потенційну екотоксичність у їх виробництві.
Вчені з Росії Наньян Технологічний Університет, Сінгапур (NTU Singapore) розробили техніку перетворення макулатури з одноразової упаковки, пакетів і картонних коробок на важливий компонент літій-іонні батареї.
Поточна інновація, яка дає можливість переробити відходи та зменшити нашу залежність від горючі корисні копалини прискорюючи наш перехід до циклічної економіки, зелених матеріалів і чистої енергії, відображає відданість NTU мінімізації нашого впливу на навколишнє середовище, одну з чотирьох грандіозних проблем, що стоять перед людством, які Університет прагне вирішити через свій стратегічний план NTU 2025.
Вчені використали процес карбонізації, щоб перетворити папір на чистий вуглець. Використовуючи цей процес, вони перетворили волокна паперу на електроди, з яких можна зробити акумулятори, які живлять мобільні телефони, медичне обладнання та електромобілі.
Потім вчені карбонізували папір, піддаючи його дії високих температур. Це зменшує його до чистого вуглецю, водяної пари та масел, які можна використовувати для біопаливі. Оскільки карбонізація відбувається за відсутності кисню та утворює мінімальну кількість вуглекислого газу, це більш екологічний спосіб утилізації крафт-паперу, ніж спалювання, яке виділяє багато парникові гази.
Вугільні аноди дослідницької групи також продемонстрували покращену міцність, адаптивність та електрохімічні якості. Згідно з лабораторними дослідженнями, аноди принаймні вдвічі міцніші за аноди сучасних телефонних акумуляторів і можуть витримувати 1,200 зарядок і розрядів. Вироблені NTU батареї на основі анодів могли переносити фізичні навантаження краще, ніж їхні конкуренти, поглинаючи до п’яти разів краще роздавлюючу енергію.
Більше того, нещодавно розроблений метод менш енергоємний. Він використовує недорогі відходи, а також, як очікується, знизить вартість їх виробництва.
Доцент Лай Чанцюань зі Школи машинобудування та аерокосмічної інженерії NTU, який керував проектом, сказав: «Папір використовується в багатьох аспектах нашого повсякденного життя, від упаковки подарунків і декоративно-прикладного мистецтва до безлічі промислових цілей, таких як міцне пакування, захисна упаковка та заповнення пустот у будівництві. Однак мало що робиться для управління ним під час його утилізації, окрім спалювання, яке створює високий рівень викидів вуглецю через їх склад. Наш метод, щоб дати крафт-паперу ще одне дихання, спрямовуючи його на зростаючу потребу в таких пристроях, як електромобілі та смартфони, допоміг би скоротити викиди вуглецю та зменшити залежність від методів видобутку та важкої промисловості».
Вчені NTU з’єднали та вирізали лазером кілька тонких аркушів крафт-паперу, щоб створити різні топології решітки, деякі з яких нагадували шипувату піату, для створення вугільних анодів. Потім папір спалювали до 1200 градусів за Цельсієм у безкисневій печі, щоб перетворити його на вуглець, утворюючи аноди.
Співавтор дослідження, пан Лім Го Яо, інженер-дослідник зі Школи машинобудування та аерокосмічної інженерії NTU, сказав: «Наші аноди показали комбінацію переваг, таких як довговічність, поглинання ударів, електропровідність, яких немає в сучасних матеріалах. Ці структурні та функціональні властивості демонструють, що наші аноди на основі крафт-паперу є стійкою та масштабованою альтернативою поточним вуглецевим матеріалам і знайдуть економічну цінність у вимогливих, високоякісних, багатофункціональних додатках, таких як нова сфера структурних батарей».
Доцент Лай Чанцюань зі Школи машинобудування та аерокосмічної інженерії NTU, який керував проектом, сказав: «Наш метод перетворює поширений і всюдисущий матеріал — папір — на інший надзвичайно міцний і користується високим попитом. Ми сподіваємося, що наші аноди задовольнять швидко зростаючу потребу світу в екологічно чистих і екологічно чистих матеріалах для батарей, виробництво яких і неправильне поводження з відходами негативно впливають на наше навколишнє середовище».
Підкреслюючи важливість роботи, виконаної дослідницькою групою NTU, професор Хуан Хінестроза з Департаменту орієнтованого на людину дизайну Корнельського університету, США, який не брав участі в дослідженні, сказав: «Оскільки крафт-папір виробляється у дуже великих кількостях і так само утилізується по всьому світу, я вважаю, що креативний підхід, запроваджений дослідниками з NTU Singapore, має великий потенціал для впливу в глобальному масштабі. Будь-яке відкриття, яке дозволить використовувати відходи як сировину для високоцінних продуктів, таких як електроди та піни, є справді великим внеском. Я думаю, що ця робота може відкрити новий шлях і спонукати інших дослідників знайти шляхи перетворення інших субстратів на основі целюлози, таких як текстиль і пакувальні матеріали, які викидаються у великих кількостях по всьому світу».
Довідка з журналу:
- Чанг Куан Лай, Го Яо Лім, Кай Цзе Тай, Кан Джуе Домінік Лім, Лінхуей Ю, Паван К. Канауцзя, Пейюань Ян Сіто. Надзвичайні характеристики поглинання енергії та стійкість до стиску функціональних вуглецевих пінопластів, отриманих з використанням крафт-паперу, виготовленого за допомогою добавок. Виробництво добавок, 2022; 58: 102992 DOI: 10.1016/j.addma.2022.102992
