Proces wykorzystuje nanosekundowe impulsy plazmowe generowane przez wyładowania elektryczne do produkcji wysokiej czystości tlenku grafenu z metanu, podstawowego składnika gazu ziemnego. W ramach reakcji metan jest źródłem węgla, substratem jest woda, a produktem ubocznym – wodór (co najmniej 18% w ujęciu objętościowym). Proces jest więc znacznie bardziej ekologiczny niż typowe metody, oparte na utlenianiu grafitu w obecności środków chemicznych, takich jak azotan sodu i nadmanganian potasu, rozpuszczonych w kwasie siarkowym – w metodzie Hummera.
Opracowana technologia, dzięki wykorzystaniu niskotemperaturowej plazmy i wody, może przebiegać bez użycia gazów osłonowych. W reaktorze znajduje się jedynie woda. Metan trafia do niego przewodem od spodu. Elektroda u góry reaktora wywołuje wyładowania, prowadzące do jonizacji wody i gazu. Wydostający się na powierzchnię metan trafia więc pod strumień plazmy i ulega dekompozycji, stając się źródłem jonów i rodników, które reagują ze sobą, tworząc tlenek grafenu. Powstaje on w reakcji produktów dekompozycji metanu, takich jak H, C2, CH, CH2 i CH3, z produktami dysocjacji wody – O, OH, H i H2O2.
Reakcja jest stabilizowana dopływem wody. Odpowiednia regulacja dopływu pozwala na podtrzymanie reakcji i skalowaną produkcję tlenku grafenu i wodoru. W warunkach laboratoryjnych uzyskany materiał pobrano po wymrożeniu reaktora metodą suszenia sublimacyjnego. Tlenek grafenu przyjął postać płatków o rozmiarach około 2 µm i grubości około 1,2 nm.
Tak uzyskany surowiec może być z powodzeniem wykorzystany do produkcji czystego grafenu – metodą redukcji termicznej w atmosferze gazu obojętnego w temperaturze powyżej 1000 °C.
news.engineering.tamu.edu
Banavath, R., Zhang, Y., Akhter, M. et al.: Graphene oxide synthesis at a nonthermal plasma-water interface. Nat Commun 17, 3908, 2026
