11.01.2021 - University of Wyoming

Forscher verwandeln Kohlepulver im Mikrowellenofen in Graphit

Neuartige und kostengünstige Technologie zur Kohleumwandlung

Mit Hilfe von Kupferfolie, Glasbehältern und einem herkömmlichen Haushaltsmikrowellenherd haben Forscher der University of Wyoming gezeigt, dass pulverisiertes Kohlepulver in höherwertiges Nano-Graphit umgewandelt werden kann.

Die Entdeckung ist ein weiterer Schritt in dem Bemühen, alternative Verwendungsmöglichkeiten für Wyomings Powder River Basin-Kohle zu finden, und das in einer Zeit, in der die Nachfrage nach Kohle zur Stromerzeugung aufgrund von Bedenken wegen des Klimawandels zurückgeht.

In einer in der Fachzeitschrift Nano-Structures & Nano-Objects veröffentlichten Arbeit berichten die UW-Forscher, dass sie in einem Mikrowellenofen eine Umgebung geschaffen haben, in der sie erfolgreich Rohkohlepulver in Nano-Graphit umwandeln konnten, das als Schmiermittel und in Gegenständen von Feuerlöschern bis hin zu Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird. Diese "Ein-Schritt-Methode mit metallunterstützter Mikrowellenbehandlung" ist ein neuer Ansatz, der eine einfache und relativ kostengünstige Technologie zur Kohleumwandlung darstellen könnte.

"Diese Methode bietet einen neuen Weg, um reichlich vorhandene Kohlenstoffquellen in hochwertige Materialien mit ökologischem und wirtschaftlichem Nutzen umzuwandeln", schrieb das Forscherteam unter der Leitung von Associate Professor TeYu Chien vom Department of Physics and Astronomy der UW.

An dem Projekt waren außerdem beteiligt: Professor Jinke Tang vom Fachbereich Physik und Astronomie; Associate Professor Brian Leonard vom Fachbereich Chemie; Professor Maohong Fan vom Fachbereich Petroleum Engineering und der School of Energy Resources; die Doktoranden Rabindra Dulal aus Nepal, Joann Hilman aus Laramie, Wyo, Chris Masi aus Syracuse, N.Y., und Teneil Schumacher aus Buffalo, Wyo. sowie die Postdocs Gaurab Rimal aus Nepal und Bang Xu aus China.

Während frühere Forschungen gezeigt haben, dass Mikrowellen verwendet werden können, um den Feuchtigkeitsgehalt von Kohle zu reduzieren und Schwefel und andere Mineralien zu entfernen, erfordern die meisten dieser Methoden eine spezielle chemische Vorbehandlung der Kohle. In ihrem Experiment mahlten die UW-Forscher die Rohkohle aus dem Powder River Basin einfach zu Pulver.

Dieses Pulver wurde dann auf Kupferfolie gelegt und in Glasbehältern mit einem Gasgemisch aus Argon und Wasserstoff versiegelt, bevor es in einen Mikrowellenofen gelegt wurde. Die Wahl fiel auf einen konventionellen Mikrowellenherd, weil er bequem ist und die gewünschte Strahlungsstärke liefert.

"Indem wir die Kupferfolie in eine Gabelform schnitten, wurden die Funken durch die Mikrowellenstrahlung induziert und erzeugten innerhalb weniger Sekunden eine extrem hohe Temperatur von mehr als 1.800 Grad Fahrenheit", sagt Masi, Hauptautor der Arbeit. "Das ist der Grund, warum man eine Metallgabel nicht in einen Mikrowellenherd legen sollte."

Die von den Mikrowellen verursachten Funken erzeugten die hohen Temperaturen, die notwendig waren, um das Kohlepulver in polykristallinen Graphit umzuwandeln, wobei die Kupferfolie und das Wasserstoffgas ebenfalls zu dem Prozess beitrugen.

Das Experiment umfasste Mikrowellendauern von 3 bis 45 Minuten, wobei sich eine optimale Dauer von 15 Minuten als optimal erwies.

Die Forscher sagen, dass diese neue Methode der Kohleumwandlung verfeinert und in einem größeren Maßstab durchgeführt werden könnte, um sowohl eine höhere Qualität als auch Quantität von Nano-Graphit-Materialien zu erhalten.

"Endliche Graphitreserven und Umweltbedenken für die Graphitgewinnungsverfahren machen diese Methode der Umwandlung von Kohle in Graphit zu einer großartigen alternativen Quelle für die Graphitproduktion", schreiben die Wissenschaftler.

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