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Mikrowelle macht Kohlestaub zu Graphit

Forscher entdecken verblüffend einfachen Weg zur Graphiterzeugung

Graphit
Graphit steckt nicht nur in Bleistiften, es wird auch für Elektroden von Lithium-ionen-Akus und Schmierstoffe gebraucht.© Studio-Annika/ iStock

Nach 15 Minuten „gar“: Forscher haben einfachen Kohlestaub in der Mikrowelle zu Nano-Graphit gemacht – dem Rohmaterial für Akku-Elektroden, Schmierstoffe und Graphen. Für die Umwandlung reichen ein Häufchen Kohle, eine Kupferfolie und ein Glasbehälter mit  Argon und Wasserstoff. Das einfache und günstige Verfahren eröffnet damit neue Möglichkeiten, das begehrte Graphit aus Kohleresten zu erzeugen.

Graphit ist ein Allerweltsmaterial – und ein begehrter Rohstoff. Denn diese weiche Kohlenstoff-Variante steckt in Bleistiften, in den Elektroden von Lithium-Ionen-Akkus und wird als Schmierstoff benötigt. Aus Graphit wird zudem das in der Elektronik und Materialforschung begehrte Graphen hergestellt. In Zukunft könnte Graphit zudem in Brennstoffzellen und als Kühlmittel in der Elektronik zum Einsatz kommen. Die Nachfrage nach dem weichen Kohlenstoffmaterial steigt weltweit an.

Zwar kommt Graphit weltweit reichlich in bestimmten Gesteinstypen vor, in Europa allerdings gibt es nur noch wenige aktive Abbaugebiete. Die künstliche Herstellung von Graphit durch Verkokung von Kohle ist ebenfalls möglich, erfordert aber Temperaturen von mehr als 3.000 Grad.

Einfaches Rezept

Eine günstigere und einfachere Alternative haben nun Forscher der University of Wyoming um Christopher Masi entdeckt. Wie sie feststellten, reicht eine handelsübliche Mikrowelle aus, um aus simplem Kohlestaub polykristallines Nano-Graphit zu erzeugen. „Die endlichen Graphit-Vorkommen und Umweltbedenken beim Graphitabbau machen diese Umwandlung von Kohle zu Graphit zu einer großartigen alternativen Quelle für diesen Rohstoff“, erklären die Forscher.

Für die Umwandlung wird Kohle zu Pulver zermahlen und auf einer Kupferfolie platziert. Diese wird zinkenartig eingeschnitten und in einen mit Argongas und Wasserstoff gefüllten Glasbehälter gelegt. Das Ganze kommt dann in eine ganz normale Mikrowelle und wird rund 15 Minuten „gegart“. Das Ergebnis ist ein Häufchen Graphit in Form von Nanokristallen, wie sie für die Weiterverarbeitung zu Elektroden oder Schmierstoffen benötigt werden.

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Funken
In der Mikrowelle schlagen die Kupferzinken Funken. Ihre Hitze stößt die Umwandlung an. © Chris Masi

Funkenschlag in der Mikrowelle

Was aber passiert in der Mikrowelle? Während des Umwandlungsprozesses sieht man, dass im Inneren des Glasbehälters helle Funken von den Zinken der Kupferfolie ausgehen. „Zu dieser Funkenbildung kommt es, weil wir die Folie in Gabelform geschnitten haben“, erklärt Masi. „Die Funken erzeugen innerhalb weniger Sekunden eine extrem große Hitze von mehr als 980 Grad.“

Unter diesen Bedingungen kommt es zu einer chemischen Reaktion, bei der die Kupferfolie als Katalysator wirkt und die Gase Argon und Wasserstoff als Reduktionsmittel. Dadurch wird der Kohlestaub zu polykristallinem Graphit. Diese Einschritt-Methode mit metall-assistierter Mikrowellen-Behandlung sei damit eine einfache und relativ günstige Methode, um Kohle in Graphit umzuwandeln, so die Wissenschaftler.

Sinnvolle Alternative

„Das Verfahren eröffnet einen neuen Weg, reichlich verfügbare Kohle-Ressourcen in hochwertige Materialien zu konvertieren“, sagen Masi und sein Team. Ein besonderer Vorteil ist dabei, dass für diese Umwandlung zu Graphit auch Kohlestaub und Kohlereste aus ansonsten nicht mehr lukrativen Kohlevorkommen verwertet werden können. (Nano-Structures & Nano-Objects, 2021; doi: 10.1016/j.nanoso.2020.100660)

Quelle: University of Wyoming

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