От свалки к научному прорыву: отработавшие шины превратили в зеленый водород и наноматериалы
Ежегодно в мире выбрасывается более 1,2 млрд изношенных шин, которые практически не поддаются разложению. Новый способ их утилизации путем преобразования резины в однослойные углеродные нанотрубки и водород предложили ученые из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, университетов Китая и Российского квантового центра (РКЦ).
Резина востребована в строительстве, медицине и, конечно же, в автомобильной промышленности. Неизменная популярность автомобилей диктует ежегодное повышение объема производства порядка 5,3%. Ожидается, что в 2025 году в мире будет произведено 30 млн тонн шин. Если учесть, что их средний срок службы около пяти лет, то ежегодно 20–25% шинного парка выходит из употребления. При этом сама их утилизация представляет проблему. Из-за образования поперечных связей с участием серы в вулканизированном каучуке и наличия антиоксидантов использованные шины практически не поддаются разложению. Образуются огромные свалки и полигоны. Новые методы переработки позволят частично решить эти проблемы.
Есть два распространенных метода утилизации: переработка материала и рекуперация энергии. Первый предполагает измельчение или дробление до состояния резиновой крошки, которая является популярным материалом для покрытия, например, детских площадок. Рекуперация энергии заключается в использовании шин в качестве альтернативного топлива в цементных печах, на электростанциях и бумажных фабриках.
В последние годы все большее внимание уделяется газификации (термической переработке, в результате которой резина превращается в синтез-газ, сажу и пиролизное масло) и пиролизу (также термической переработке, но уже без кислорода). Эти методы направлены на получение и использование водорода (H2) для более экологичного энергоснабжения.
В качестве побочных продуктов пиролиза отработанных шин могут образовываться различные углеродсодержащие материалы, в том числе аморфный и графитовый углерод и даже углеродные нанотрубки, которые обладают удивительными физическими и химическими свойствами и имеют потенциал для использования в промышленности.
Ученые МФТИ и РКЦ, совместно с китайскими коллегами предложили метод преобразования старой резины в однослойные углеродные нанотрубки и газообразный водород (H2) с помощью химического осаждения из газовой фазы. Исследование опубликовано в журнале Carbon Neutralization.
«Утилизация резины позволяет преобразовать ее в новые материалы с заданными свойствами. В нашем случае это производство однослойных углеродных нанотрубок. Нам удалось синтезировать нанотрубки со схожими одинаковыми параметрами. Сами нанотрубки можно представить как свернутые слои углерода толщиной 1 атом. Они протяженные, но диаметр составляет не более 3 нанометров. В зависимости от диаметра и геометрии сворачивания они могут стать либо металлом, либо полупроводниками.
Что нам это дает? К примеру, чтобы сделать транзистор, нужен полупроводник, который позволит управлять движением электронов. А если мы создаем металлические нанотрубки, то они могут стать проводящими покрытиями: прозрачными или почти прозрачными», — рассказал о работе Александр Чернов, заведующий лабораторией физики магнитных гетероструктур и спинтроники для энергосберегающих информационных технологий Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.
В основе предложенного метода лежит использование пористого кобальтового катализатора на основе оксида магния (Co/MgO), полученного простым методом пропитки. Он отличается высокой дисперсностью металла и превосходными характеристиками. В результате термического разложения каучука образуются углеводороды и оксиды углерода. Затем на этапе катализа эти углеродсодержащие вещества служат источником для синтеза одностенных углеродных нанотрубок и при этом выделяется H2.
При оптимальных температурах реакций синтезированные нанотрубки демонстрируют узкое распределение хиральности (их геометрий) с долей нанотрубок с одинаковой геометрией (8,4) в 20,1%.
«Это значит, что из груды бывших покрышек мы получаем нанотрубки, которые можно применить в других областях. Если правильно подобрать параметры синтеза, можно создать трубки с одинаковыми свойствами, и благодаря этому использовать их, например, для электроники нового поколения. Это открывает широкое окно возможностей, которые мы тщательно исследуем. В нашем проекте китайская сторона синтезирует новые нанотрубки с различными свойствами. В Центре фотоники и двумерных материалов МФТИ и в РКЦ мы занимаемся непосредственно изучением оптических свойств и на их основе даем рекомендации о возможном улучшении. Уже сейчас продемонстрирована вполне рабочая технология утилизации», — подчеркнул Александр Чернов.
По сравнению с многослойными углеродными нанотрубками однослойные обладают превосходными оптическими и электрическими свойствами. Это делает их идеальными для таких областей применения, как прозрачные проводящие тонкие пленки, мембраны для фильтрации воды и современные композитные материалы. В то же время передовые приложения, такие как высокопроизводительные транзисторы, логические схемы требуют для использования трубки с узким распределением хиральности или даже полностью идентичные. Но на сегодняшний день достижение хирально-селективного синтеза остается по-прежнему серьезной задачей, которая решена только для отдельных геометрий. Для этого необходимы точно определенные наночастицы, диаметр которых должен соответствовать диаметру желаемых нанотрубок, а катализатор должен проявлять устойчивую активность в сложной газовой среде. В итоге прямой синтез нанотрубок с контролируемой хиральностью до сих пор сложная задача.
«Чтобы решить эту проблему мы используем для преобразования каучука пористый кобальтовый катализатор на основе оксида магния (Co/MgO). В итоге мы добились узкого распределения по хиральности. Важно отметить, что мы расширили этот подход, чтобы синтезировать высококачественные нанотрубки из отработанных шин разных типов и производителей. Насколько нам известно, это первая успешная демонстрация преобразования разного каучука в однослойные углеродные нанотрубки», — добавил Федор Максимов, аспирант и молодой инженер-исследователь лаборатории физики магнитных гетероструктур и спинтроники для энергосберегающих информационных технологий Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.
Это исследование демонстрирует новый подход к переработке каучука в два продукта с высокой добавленной стоимостью: однослойные углеродные нанотрубки и Н2. Используя катализаторы Co/MgO, ученые успешно переработали разные типы отработанных шин и продемонстрировали универсальность подхода.
Telegram 
Дзен 
VK Сотрудники Центра языка и мозга НИУ ВШЭ приняли участие в редкой для детской нейрохирургии операции с пробуждением у 11-летнего пациента с фармакорезистентной эпилепсией. Совместно с врачами НПЦ специализированной медицинской помощи детям имени В.Ф. Войно-Ясенецкого в Солнцево они сопровождали удаление участка левой височной доли, где был выявлен эпилептический очаг.
Провинция Цзянсу была процветающим центром медицинской практики в Китае во времена династии Мин (1368-1644 годы нашей эры). Микроскопический анализ крошечных частиц на поверхности хирургических ножниц и пинцета из гробницы китайского врача помог выявить следы вещества, получаемого из ядовитого растения, которое, по мнению исследователей, применялось как местная анестезия во время операций.
Анализ ДНК и изотопный анализ зубов показали, что мужчина генетически был связан с саамскими популяциями, но часть жизни провел за пределами Финляндии — возможно, в Исландии. Авторы нового исследования пришли к выводу, что на рубеже XVI-XVII веков саамские сообщества не были изолированы, как предполагали многие исследователи. Люди путешествовали на далекие расстояния и поддерживали контакты с дальними регионами Северной Атлантики.
В доколумбовых Андах принадлежность к правящему роду определяла доступ к земле, торговле и статусу, поэтому удержать все внутри семьи было вопросом выживания. Ученые выяснили, что элиты долины Чинча решали эту задачу самым прямым способом — заключая браки между родственниками на протяжении как минимум двух поколений.
Последние несколько лет по всему миру выходит множество работ о том, что микрочастицы искусственных полимеров накапливаются в тканях человека и могут быть небезопасны. Мы решили обратиться к академику Алексею Хохлову, чтобы дать трибуну противоположной точке зрения. Выбор между ними предлагаем сделать читателю.
Ученые РГУ нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина предложили подход к отбору малодебетных нефтегазовых месторождений, которые составляют около 88% нераспределенного фонда нефтяных участков. Модель расчета поможет вовлечь в экономический оборот от 400 до 600 миллионов тонн ранее нерентабельных запасов.
В высокогорных районах Гималаев появился новый хищник. Он не боится людей, возглавляет стаи собак и все чаще заходит в деревни. Местные жители называют его «кхипшанг». Речь идет о гибриде гималайского волка и бродячей собаки. Ученые опасаются, что этот зверь изменит хрупкий баланс местной дикой природы и в скором времени станет весьма опасным для человека.
Релиз довольно неожиданно перенес время образования протонов и нейтронов в более раннее прошлое Вселенной. К сожалению, из его текста осталось неясным научное обоснование таких фундаментальных изменений в космологии. Также он резко передвинул в прошлое и момент возникновения реликтового излучения.
При совпадении нескольких условий наши глаза способны улавливать излучение в ближнем инфракрасном спектре. Тогда сетчатка начинает работать как нелинейный фотодетектор.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно