Material für Akkus

Mikrowelle erzeugt Graphit aus Kohlestaub

Robert Klatt

Graphit konnte bisher nur bei Temperaturen von über 3.000 Grad Celsius künstlich erzeugt werden. Nun haben Wissenschaftler ein Verfahren entwickelt, das mithilfe einer herkömmlichen Mikrowelle Kohlestaub in Graphit umwandelt.

Laramie (U.S.A.). Die weiche Kohlenstoff-Variante Graphit ist ein begehrter Rohstoff, der in Bleistiften, Lithium-Ionen-Akkus und als Schmierstoff verwendet wird. Außerdem wird Graphit in der Industrie zur Produktion des Materials Graphen benötigt. In Zukunft wird der Bedarf an Graphit noch deutlich steigen, weil das Material als Kühlmittel in der Elektronik und in Brennstoffzellen verbaut wird.

In der Umwelt kommt Graphit zwar in vielen Gesteinen vor, in Europa wird der Rohstoff aber nur in wenigen Abbaugebieten gewonnen. Die Wissenschaft sucht deshalb nach Möglichkeiten zur künstlichen Herstellung von Graphit. Bisher ist dies per Verkokung von Kohle möglich, dabei werden aber Temperaturen von über 3.000 Grad Celsius benötigt. Die Produktion erfordert also einen sehr hohen Energieeinsatz.

Graphit per Mikrowelle

Nun haben Forscher der University of Wyoming um Christopher Masi eine deutlich einfachere Alternative gefunden. Laut ihrer Publikation im Fachmagazin Nano-Structures & Nano-Objects lässt sich polykristallines Nano-Graphit mithilfe einer herkömmlichen Mikrowelle aus Kohlestaub erzeugen.

Christopher Masi: „Die endlichen Graphit-Vorkommen und Umweltbedenken beim Graphitabbau machen diese Umwandlung von Kohle zu Graphit zu einer großartigen alternativen Quelle für diesen Rohstoff.“

Der Prozess benötigte zu einem Pulver zerriebene Kohle, die auf einen zinkenartig eingeschnitten Kupferfolie platziert wird. Diese wird in einem mit Argongas und Wasserstoff gefüllten Glasbehälter positioniert und dann 15 Minuten in einer Mikrowelle erhitzt. Dabei entsteht Graphit-Nanokristalle, die unter anderem für die Elektroden von Lithium-Ionen-Akkus benötigt werden.

980 Grad Celsius in der Mikrowelle

Während des Umwandlungsprozesses entstehen im Glasbehälter an den Zinken der Kupferfolie helle Funken. Dabei wird eine chemische Reaktion ausgelöst, in der die Kupferfolie als Katalysator die Umwandlung beschleunigt und die Gase Argon und Wasserstoff als Reduktionsmittel dienen.

Christopher Masi: „Zu dieser Funkenbildung kommt es, weil wir die Folie in Gabelform geschnitten haben. Die Funken erzeugen innerhalb weniger Sekunden eine extrem große Hitze von mehr als 980 Grad.“

Laut den Studienautoren ist diese metall-assistierter Mikrowellen-Behandlung eine relativ günstige Möglichkeit zur Umwandlung von Kohle in Graphit.

Christopher Masi: „Das Verfahren eröffnet einen neuen Weg, reichlich verfügbare Kohle-Ressourcen in hochwertige Materialien zu konvertieren.“

Überdies bietet die Methode der Vorteil, dass zur Herstellung von Graphit auch Kohlereste aus ansonsten nicht mehr lukrativ abbaubaren Kohlevorkommen eignen.

Nano-Structures & Nano-Objects, doi: 10.1016/j.nanoso.2020.100660)

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