Chất thải giấy, bao gồm túi giấy đã qua xử lý, bìa cứng, giấy báo và các loại bao bì giấy khác, có tác động lớn đến môi trường so với các chất thải làm từ bông và nhựa. Chúng góp phần đáng kể vào sự nóng lên toàn cầu khi bị đốt cháy và khả năng gây độc tính sinh thái khi sản xuất chúng.
Các nhà khoa học từ Đại học Công nghệ Nanyang, Singapore (NTU Singapore) đã phát triển một kỹ thuật chuyển đổi giấy thải từ bao bì, túi và hộp các tông sử dụng một lần thành một thành phần quan trọng của pin lithium-ion.
Sự đổi mới hiện tại, mang đến cơ hội tái chế các sản phẩm phế thải và giảm bớt sự phụ thuộc của chúng ta vào nhiên liệu hóa thạch đồng thời đẩy nhanh quá trình chuyển đổi sang nền kinh tế tuần hoàn, vật liệu xanh và năng lượng sạch, phản ánh cam kết của NTU trong việc giảm thiểu tác động của chúng ta đối với môi trường, một trong bốn thách thức lớn mà nhân loại phải đối mặt mà Trường tìm cách giải quyết thông qua kế hoạch chiến lược NTU 2025.
Các nhà khoa học đã sử dụng một quy trình gọi là cacbon hóa để chuyển Giấy thành cacbon tinh khiết. Sử dụng quy trình này, họ đã biến các sợi của Giấy thành các điện cực, có thể chế tạo thành pin sạc để cung cấp năng lượng cho điện thoại di động, thiết bị y tế và xe điện.
Sau đó, các nhà khoa học đã cacbon hóa Giấy bằng cách cho chúng tiếp xúc với nhiệt độ cao. Điều này làm giảm nó thành carbon tinh khiết, hơi nước và dầu có thể được sử dụng cho nhiên liệu sinh học. Vì quá trình cacbon hóa xảy ra trong trường hợp không có oxy và tạo ra lượng khí carbon dioxide tối thiểu, nên đây là phương pháp xử lý giấy kraft thân thiện với môi trường hơn so với phương pháp đốt, phương pháp này giải phóng nhiều khí nhà kính.
Các cực dương carbon của nhóm nghiên cứu cũng cho thấy độ dẻo dai, khả năng thích ứng và chất lượng điện hóa được cải thiện. Theo các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, cực dương bền ít nhất gấp đôi so với cực dương trong pin điện thoại ngày nay và có thể chịu được 1,200 lần sạc và xả. Pin dựa trên cực dương do NTU sản xuất có thể chịu đựng áp lực vật lý tốt hơn so với các đối thủ của chúng, hấp thụ năng lượng nghiền tốt hơn tới năm lần.
Hơn nữa, phương pháp mới được phát triển ít tốn năng lượng hơn. Nó sử dụng vật liệu phế thải chi phí thấp và cũng được kỳ vọng sẽ giảm chi phí sản xuất chúng.
Trợ lý Giáo sư Lai Changquan, từ Trường Kỹ thuật Cơ khí & Hàng không vũ trụ của NTU, người đứng đầu dự án, cho biết: “Giấy được sử dụng ở nhiều khía cạnh trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, từ gói quà, nghệ thuật và hàng thủ công, đến vô số ứng dụng công nghiệp, chẳng hạn như bao bì chịu tải nặng, bọc bảo vệ và lấp đầy các khoảng trống trong xây dựng. Tuy nhiên, rất ít được thực hiện để quản lý nó khi nó được xử lý ngoài việc đốt, tạo ra lượng khí thải carbon cao do thành phần của chúng. Phương pháp của chúng tôi để mang lại cho Giấy kraft một cuộc sống mới, đưa nó vào nhu cầu ngày càng tăng đối với các thiết bị như xe điện và điện thoại thông minh, sẽ giúp cắt giảm lượng khí thải carbon và giảm bớt sự phụ thuộc vào các phương pháp khai thác và công nghiệp nặng.”
Các nhà khoa học của NTU đã kết nối và cắt laser một số tờ giấy kraft mỏng để tạo ra các cấu trúc liên kết mạng khác nhau, một số cấu trúc liên kết giống như một chiếc piata có gai nhọn, để tạo ra cực dương carbon. Sau đó, Giấy được đốt cháy ở nhiệt độ 1200 độ C trong lò không có oxy để biến nó thành carbon, tạo ra cực dương.
Đồng tác giả của nghiên cứu, ông Lim Guo Yao, kỹ sư nghiên cứu từ Trường Kỹ thuật Cơ khí & Hàng không vũ trụ của NTU, cho biết: “Các cực dương của chúng tôi thể hiện sự kết hợp của các điểm mạnh, chẳng hạn như độ bền, khả năng hấp thụ sốc, tính dẫn điện, những điều không có trong các vật liệu hiện tại. Các đặc tính cấu trúc và chức năng này chứng minh rằng các cực dương dựa trên giấy kraft của chúng tôi là một giải pháp thay thế bền vững và có thể mở rộng cho các vật liệu carbon hiện tại và sẽ tìm thấy giá trị kinh tế trong các ứng dụng đa chức năng, cao cấp, đòi hỏi khắt khe, chẳng hạn như lĩnh vực pin cấu trúc non trẻ.”
Trợ lý Giáo sư Lai Changquan, từ Trường Kỹ thuật Cơ khí & Hàng không vũ trụ của NTU, người đứng đầu dự án, cho biết: “Phương pháp của chúng tôi chuyển đổi một loại vật liệu thông dụng và phổ biến — Giấy — thành một loại vật liệu khác cực kỳ bền và có nhu cầu cao. Chúng tôi hy vọng rằng cực dương của chúng tôi sẽ đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng nhanh chóng của thế giới về vật liệu bền vững và xanh hơn cho pin, mà việc sản xuất và quản lý chất thải không phù hợp đã cho thấy có tác động tiêu cực đến môi trường của chúng ta.”
Nhấn mạnh tầm quan trọng của công việc được thực hiện bởi nhóm nghiên cứu NTU, Giáo sư Juan Hinestroza từ Khoa Thiết kế lấy con người làm trung tâm của Đại học Cornell, Hoa Kỳ, người không tham gia nghiên cứu, nói: "Vì giấy kraft được sản xuất với số lượng rất lớn và được xử lý tương tự trên khắp thế giới, tôi tin rằng phương pháp tiếp cận sáng tạo do các nhà nghiên cứu tại NTU Singapore tiên phong có tiềm năng tác động lớn trên quy mô toàn cầu. Bất kỳ khám phá nào cho phép sử dụng chất thải làm nguyên liệu thô cho các sản phẩm có giá trị cao như điện cực và bọt đều thực sự là một đóng góp to lớn. Tôi nghĩ rằng công việc này có thể mở ra một con đường mới và thúc đẩy các nhà nghiên cứu khác tìm ra con đường biến đổi các chất nền dựa trên cellulose khác, chẳng hạn như hàng dệt may và vật liệu đóng gói, những thứ đang bị loại bỏ với số lượng lớn trên toàn cầu.”
Tạp chí tham khảo:
- Chang Quan Lai, Guo Yao Lim, Kai Jie Tai, Kang Jueh Dominic Lim, Linghui Yu, Pawan K. Kanaujia, Peiyuan Ian Seetoh. Các đặc tính hấp thụ năng lượng vượt trội và khả năng phục hồi nén của bọt carbon chức năng có nguồn gốc bền vững và có thể mở rộng từ giấy kraft được sản xuất bồi đắp. Sản xuất phụ gia, 2022; 58: 102992 DOI: 10.1016 / j.addma.2022.102992
