پژوهشگران دانشگاه علم و صنعت ایران موفق شدهاند مسیری کاملاً نوآورانه برای گرافیتسازی در دماهای پایین و بدون استفاده از هرگونه کاتالیزور یا تجهیزات پیچیده ارائه کنند؛ روشی که میتواند تغییراتی در صنایع باتری، ابرخازن، ذخیرهسازی انرژی و فناوریهای نوین مبتنی بر مواد کربنی ایجاد کند. بهطور معمول بیشتر پلیمرها، از جمله پلیدیوینیلبنزن (PDVB)، حتی در دماهای بسیار بالا و نزدیک به ۳۰۰۰ درجه سانتیگراد نیز توان تبدیل به ساختار گرافیتی را ندارند. اما این تحقیق نشان میدهد که میتوان تنها در ۱۱۰۰ درجه سانتیگراد، و آن هم بدون هرگونه افزودنی فلزی یا آلی، ساختارهای گرافنی و گرافیتی را در میکروسفرهای پلیمر سولفونهشده ایجاد کرد؛ دستاوردی که از نگاه محققان، مرزهای شناختهشدهٔ گرافیتسازی را جابهجا خواهد کرد.
گرافیتسازی کمهزینه در دمای پایین؛ تبدیل پلیمرهای غیرگرافیتپذیر به گرافن
پایه این تحول به ساختار پیچیده و سلسلهمراتبی حفرههای موجود در میکروسفرهای سولفونهشده PDVB بازمیگردد. این حفرات که از نوع معروف به جوهریـشیشهای یا Ink-bottle هستند، شبکهای از فضاهای باز در مقیاس میکرو را با گلوگاههایی بسیار باریک در مقیاس چند نانومتر به یکدیگر متصل میکنند. پژوهشگران این فضاهای فوقریز را «نانورآکتورهای پویا» نامیدهاند؛ محیطهایی که در حین فرایند کربنیشدن، رفتار شیمیایی ویژهای ایجاد میکنند و اجازه نمیدهند محصولات تجزیه حرارتی آزادانه از سامانه خارج شوند. نتیجه آن است که مشتقات آروماتیکِ حاصل از شکست ساختار پلیمر، به جای رهاشدن، در دل این فضاهای بسته بازآرایی میشوند، حلقههای بنزنی با یکدیگر همجوشی پیدا میکنند و مسیر تبدیل به ورقههای گرافنی آغاز میشود.
بررسیهای طیفسنجی و ریزساختاری نشان میدهد که این فرایند مرحلهمند و قابل رهگیری است؛ از آغاز همجوشی حلقههای بنزنی در حدود ۲۵۰ درجه، تا گسترش ساختارهای آروماتیک در ۴۵۰ درجه، تشکیل صفحات گرافنی در حدود ۹۰۰ درجه و در نهایت رشد و انباشت لایههای گرافنیِ خمیده و شکلگیری ساختار گرافیتی در ۱۱۰۰ درجه سانتیگراد. شواهد تجربی این دگرگونی، از جمله نسبت ID/IG برابر ۰٫۸۷ در طیف رامان، ظهور باند 2D، الگوهای پراش SAED، تصاویر HRTEM و همچنین نتایج XRD، همگی نشاندهنده تشکیل ساختارهای گرافنی منظم و انباشته در نمونههای حرارتدیده است. همزمان، طیفسنجی FTIR نیز ردپای برخی از گروههای آروماتیک اولیه را حفظشده نشان میدهد و تحول تدریجی ساختار شیمیایی از دمای اتاق تا ۱۱۰۰ درجه را تأیید میکند.
اهمیت این دستاورد در آن است که تبدیل پلیمرهای غیرگرافیتپذیر به مواد گرافیتی معمولاً تنها در حضور کاتالیزورهای فلزی، در فشارهای بسیار بالا و با تجهیزات پیچیده امکانپذیر است. اما در این پژوهش، تنها با استفاده از یک برنامه حرارتی طراحیشده و اتکاء به سازوکار محصورشدن مولکولها در فضای محدود حفرهها، این فرایند در فشار محیط و با هزینهای بسیار کمتر امکانپذیر شده است. پژوهشگران نشان دادهاند که اگر مشتقات آروماتیکِ حاصل از تجزیه حرارتی پلیمر درون این فضاهای نانومتری محبوس شوند، نهتنها امکان رشد و همجوشی حلقههای بنزنی فراهم میشود، بلکه میتوان بخش مهمی از مراحل گرافیتسازی را به دماهای پایینتر منتقل کرد و از یک پیشماده غیرگرافیتپذیر، مادهای قابلگرافیتشدن ساخت.
این تحقیق نشان میدهد که ساختار ویژه میکروحفرهها و سازوکار محصورسازی مولکولها، کلید اصلی گرافیتیشدن میکروسفرهای سولفونهشده PDVB بوده است؛ عاملی که با فراهمکردن مسیر واکنش در فضای بسته و نانومقیاس، موجب تشکیل ساختارهای گرافنی در دماهایی شده که پیشتر برای چنین پلیمرهایی غیرممکن تصور میشد. این رویکرد میتواند دریچهای تازه برای تولید کمهزینه و مقیاسپذیر گرافن و مواد کربنی پیشرفته بگشاید و برای صنایع انرژی، الکترودهای پیشرفته، ذخیرهسازی شار و سامانههای کربنی عملکرد بالا، فرصتهای نوینی فراهم آورد.
نتایج این پروژه در قالب مقالهای با عنوان Intervention-Free Graphitization of Carbon Microspheres from a Non-Graphitizing Polymer at Low Temperature: Nanopores as Dynamic Nanoreactors به چاپ رسیده است.
