Cascas de amendoim podem virar grafeno: método da UNSW

A produção mundial de amendoim gera todos os anos mais de 10 milhões de toneladas de resíduos que se acumulam na forma de cascas descartadas - e agora cientistas identificaram uma maneira de transformar essa biomassa em materiais de carbono semelhantes ao grafeno.

O grafeno é um material à base de carbono frequentemente descrito como um “material maravilhoso”: extremamente resistente, muito leve e com ótima capacidade de conduzir calor e eletricidade. Ele já é utilizado em diversas aplicações e tem potencial para elevar de forma relevante o desempenho de eletrónicos de consumo no futuro.

Ainda assim, fabricar grafeno em grande escala continua a ser complexo e caro. Por isso, rotas alternativas de produção podem trazer avanços importantes para sistemas de energia, armazenamento de dados e outras tecnologias atuais.

Cascas de amendoim, grafeno e a proposta da UNSW

Num estudo liderado por uma equipa da Universidade de Nova Gales do Sul (UNSW), na Austrália, os investigadores mostram que a simples casca de amendoim pode ajudar a ampliar a produção de grafeno - com um caminho potencialmente mais barato e mais amigo do ambiente do que algumas abordagens convencionais de síntese.

“Grande parte do resíduo da casca é simplesmente descartada ou reciclada em aplicações de baixo valor, que não aproveitam o seu potencial máximo”, afirma o engenheiro mecânico da UNSW, Guan Yeoh.

“O que demonstrámos neste trabalho é que cascas de amendoim comuns podem ser convertidas em grafeno de alta qualidade, usando muito menos energia do que a atualmente necessária e, portanto, a um custo menor. Também não precisamos usar quaisquer químicos, o que traz um benefício ambiental adicional.”

Lignina: o componente-chave no caminho até materiais de carbono tipo grafeno

O elemento central do processo é a lignina, um polímero natural rico em carbono presente na maioria das plantas. Já se sabia que ela existe nas cascas de amendoim, mas a equipa precisou determinar a forma mais eficaz de a processar.

Para isso, os investigadores experimentaram diferentes métodos de preparação do resíduo de casca com o objetivo de “libertar” essa lignina, antes de aplicar uma etapa chamada aquecimento Joule por pulso (FJH, na sigla em inglês). Nesse procedimento, um “pulso” elétrico aquece o material a temperaturas acima de 3.000 °C (cerca de 5.432 °F) por apenas alguns milissegundos. Essa explosão instantânea de calor reorganiza os átomos de carbono em estruturas grafíticas, incluindo grafeno turbostrástico de poucas camadas.

Embora o FJH seja responsável pela maior parte do trabalho, a forma como as cascas são preparadas para receber esse pulso elétrico é determinante. A estratégia mais eficaz, segundo os autores, foi um pré-tratamento em etapas: primeiro, um aquecimento Joule indireto em torno de 500 °C durante 5 minutos e, depois, uma fase curta a uma temperatura mais elevada.

Com isso, impurezas são removidas e as cascas são convertidas em carvão (um material também rico em carbono, mas muito mais condutor do que as cascas em estado bruto).

“Esse processo é vital para remover as impurezas e dar-nos o melhor material rico em carbono, ajudando a garantir que haja defeitos mínimos no grafeno final e que ele seja, de facto, apenas uma única camada de átomos”, diz Yeoh.

“É isso que se quer e de que se precisa para assegurar que ele tenha as melhores propriedades em termos de condução de eletricidade e calor.”

Qualidade do grafeno, limitações e próximos testes

Embora a conversão de casca de amendoim em grafeno já tenha sido testada anteriormente, este estudo chama a atenção para o quanto o controlo cuidadoso do material precursor pode elevar de maneira expressiva a qualidade do grafeno obtido.

Isso não significa, porém, que a abordagem esteja pronta e perfeita. Os investigadores observam que o material produzido tem uma pontuação elevada em qualidade, mas costuma ser formado por algumas camadas de grafeno empilhadas num arranjo turbostrástico. Além disso, a técnica pode levar de três a quatro anos para ser ampliada até um nível de uso comercial.

O trabalho de aprimorar o processo - que, por enquanto, é uma prova de conceito em laboratório - deve continuar. Em paralelo, a equipa quer verificar se esta preparação e este aquecimento, desenhados sob medida, também funcionam com outras biomassas.

“Estamos a planear realizar experiências também com outros materiais, como borra de café, ou cascas de banana, ou qualquer outra coisa que nos possa dar um bom carvão para então o transformar em grafeno”, afirma Yeoh.

“Considerando o quanto existe de material orgânico desse tipo disponível, o nosso trabalho demonstra um bom equilíbrio entre a eficiência energética, a qualidade do grafeno que obtemos e a viabilidade económica de todo o processo.”

A investigação foi publicada na revista Avanços do Jornal de Engenharia Química.