In einem wichtigen Schritt zur Schaffung einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft haben Forscher der Rice University eine bahnbrechende Studie in der Zeitschrift veröffentlichtKohlenstoff Dies zeigt, dass Kohlenstoffnanoröhrenfasern (CNT) vollständig recycelt werden können, ohne dass ihre Struktur oder Eigenschaften verloren gehen. Diese Entdeckung positioniert CNT-Fasern als nachhaltige Alternative zu herkömmlichen Materialien wie Metallen, Polymeren und den viel größeren Kohlenstofffasern, die bekanntermaßen schwer zu recyceln sind.
„Recycling stellt seit langem eine Herausforderung in der Materialindustrie dar – Metallrecycling ist oft ineffizient und energieintensiv, Polymere neigen dazu, nach der Wiederaufbereitung ihre Eigenschaften zu verlieren und Kohlenstofffasern können überhaupt nicht recycelt werden, sondern nur durch Zerhacken in kurze Stücke recycelt werden.“ sagte korrespondierender Autor Matteo Pasquali, Direktor von Rice’s Carbon Hub und AJ Hartsook Professor für Chemie- und Biomolekulartechnik, Materialwissenschaften sowie Nanotechnik und Chemie. „Da CNT-Fasern immer größer werden, fragten wir uns, ob und wie diese neuen Materialien in Zukunft recycelt werden könnten, um proaktiv Probleme bei der Abfallbewirtschaftung zu vermeiden, die auftraten, als andere technische Materialien in großem Maßstab zum Einsatz kamen. Wir gingen davon aus, dass das Recycling schwierig sein würde.“ und würde zu einem erheblichen Verlust an Eigenschaften führen. Überraschenderweise haben wir herausgefunden, dass Kohlenstoff-Nanoröhrenfasern das Recyclingpotenzial bestehender technischer Materialien bei weitem übertreffen und eine Lösung für ein großes Umweltproblem darstellen.
Das Forschungsteam verwendete lösungsgesponnene CNT-Fasern, die durch Auflösen kommerzieller CNTs in Faserqualität in Chlorsulfonsäure, einem weit verbreiteten industriellen Lösungsmittel, hergestellt wurden. Da beim Recycling am Ende der Lebensdauer immer Materialien zusammenkommen, die von verschiedenen Unternehmen in unterschiedlichen Prozessen hergestellt wurden, war es wichtig, die Auswirkungen mehrerer Materialquellen auf den Faserherstellungsprozess und die Fasereigenschaften zu bewerten. Fasern aus verschiedenen Arten von CNTs verschiedener Hersteller wurden zunächst zu separaten Frischfasern aus einer einzigen Quelle verarbeitet und dann durch Kombinieren und Einmischen von Chlorsulfonsäure recycelt. Überraschenderweise führte das Mischen der beiden Fasern zu einer vollständigen Wiederauflösung und ohne Anzeichen einer Trennung der beiden Ausgangsmaterialien in verschiedene flüssige Phasen. Dieses wieder aufgelöste Material wurde zu einer Recyclingfaser aus gemischten Quellen gesponnen, die die gleiche Struktur und Ausrichtung wie die Frischfaser beibehielt.
„Durch die Verwendung von zwei verschiedenen Quellen für Kohlenstoffnanoröhren haben wir sichergestellt, dass unser Recyclingprozess den realen Bedingungen entspricht“, sagte Co-Erstautorin Michelle Durán-Chaves, eine Doktorandin der Chemie. „Bemerkenswerterweise zeigten die recycelten Fasern eine gleichwertige mechanische Festigkeit, elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Ausrichtung, was im Bereich technischer Materialien beispiellos ist.“
Die Forschung brachte mehrere wichtige Erkenntnisse zutage, die CNT-Fasern als vielversprechendes Material auf dem Weg zu nachhaltigen Praktiken positionieren. Dazu gehört vor allem die vollständige Recyclingfähigkeit von CNT-Fasern. Im Gegensatz zu herkömmlichen Materialien, insbesondere Polymeren und Kohlenstofffasern, deren Qualität beim Recycling abnimmt, behalten CNT-Fasern nach dem Recycling 100 % ihrer ursprünglichen Eigenschaften bei.
„Dieser Erhalt der Qualität bedeutet, dass CNT-Fasern ohne Leistungseinbußen in anspruchsvollen Anwendungen verwendet und wiederverwendet werden können, wodurch ihr Lebenszyklus verlängert und der Bedarf an neuen Rohstoffen verringert wird“, sagte Co-Erstautor Ivan R. Siqueira, ein frischgebackener Doktorand bei Rice’s Fakultät für Chemie- und Biomolekulartechnik, heute außerordentlicher Professor für Maschinenbau an der Pontifícia Universidade Católica in Rio de Janeiro.
Ebenso wichtig ist die Effizienz des Recyclingprozesses. Die Forscher zeigten, dass das Recycling von CNT-Fasern deutlich effizienter ist als herkömmliche Recyclingmethoden für Metalle und Polymere, die häufig einen hohen Energieverbrauch, gefährliche Chemikalien oder eine arbeitsintensive Sortierung erfordern. CNT-Fasern können jedoch ohne Sortierung recycelt werden, da Fasern aus verschiedenen Quellen zu hochwertigen Recyclingmaterialien kombiniert werden können. Sobald diese Materialien maßstabsgetreu sind, wird dieser einfache Recyclingprozess den Abfall, den Energieverbrauch und die Kohlendioxidemissionen im Zusammenhang mit der Materialherstellung deutlich reduzieren.
„Die Möglichkeit, CNT-Fasern vollständig zu recyceln, hat weitreichende Auswirkungen auf Branchen wie Luft- und Raumfahrt, Automobil und Elektronik“, sagte Durán-Chaves. „Wir hoffen, dass dies den Weg für vollständig recycelbare Verbundwerkstoffe in Flugzeugen, Fahrzeugen, zivilen Infrastrukturen und mehr ebnen und letztendlich die Umweltauswirkungen in einer Vielzahl von Sektoren verringern könnte.“
Zu den weiteren Co-Autoren des Papiers gehören der Rice-Absolvent Oliver Dewey, jetzt bei DexMat; Steven Williams; Cedric Ginestra, jetzt aus LyondellBasell; Yingru Song, jetzt Postdoktorandin an der Purdue University; Rice-Absolvent Juan De La Garza, jetzt bei Axiom Space; und Geoff Wehmeyer, Assistenzprofessor für Maschinenbau.
Diese Forschung ist Teil des umfassenderen Programms des Carbon Hub, einer von Rice geleiteten Initiative zur Entwicklung einer emissionsfreien Zukunft, in der fortschrittliche Kohlenstoffmaterialien und sauberer Wasserstoff effizient und nachhaltig aus Kohlenwasserstoffen gemeinsam hergestellt werden.
Die Arbeit wurde von der Advanced Research Project Agency des Energieministeriums, dem Air Force Office of Scientific Research, der Robert A. Welch Foundation, der National Science Foundation, dem CO2 Research Center der Novo Nordisk Foundation und dem Ken Kennedy Institute Graduate Fellowship von Schlumberger unterstützt und Rice sowie ein Riki-Kobayashi-Stipendium von Rices Abteilung für Chemie- und Biomolekulartechnik.
