ZESPÓŁ AUTORSKI

Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu

prof. dr hab. Jerzy P. Łukaszewicz (kierownik zespołu)

mgr Piotr Kamedulski

mgr Wojciech Zieliński

CO MOŻNA OSIĄGNĄĆ DZIĘKI WYNALAZKOWI?

Opracowano i zgłoszono do ochrony patentowej wynalazek (P.431472 z dnia 14.10.2019) dotyczący innowacyjnej metody otrzymywania 3D róż grafenowych. Podjęto prace nad zupełnie nową metodą otrzymywania grafenu w kształcie róż. Proponowany wynalazek stanowi rozwiązanie wielu problemów, z którymi obecnie zmaga się technologia energetyczna, zwłaszcza z magazynowaniem energii elektrycznej. By uniknąć wysokich kosztów, do uzyskania porowatego podłoża grafenowego jest stosowany powszechnie komercyjny grafit/proszek grafenowy. Bezolejowa oraz bezlaserowa metoda otrzymywania róż grafenowych ma charakter nowości w skali światowej. Istotą metody jest wykorzystanie zjawiska samorzutnej agregacji separowanych płatków grafenowych wcześniej otrzymanych na drodze mokrej eksfoliacji komercyjnego grafitu/proszku grafenowego. Agregacja zachodzi w warunkach szoku termicznego jaki ma miejsce podczas kontaktu zawiesiny płatków z gorącym podłożem. Następuje wówczas samoorganizacja do struktur przypominających kwiaty - róże. Testy elektrochemiczne potwierdziły potencjalne zastosowanie jako materiał elektrodowy do generacji energii elektrycznej w bateriach Zn-powietrze oraz superkondensatorach. Proponowany wynalazek jest odpowiedzią na powszechnie wykorzystywany w elektrochemii węgiel aktywny jako materiał elektrodowy. Opracowana metoda, pozwala na wytwarzanie 3D róż grafenowych wykorzystując zasady Zielonej Chemii, gdyż korzysta z surowców łatwych do utylizacji i w znikomy sposób oddziaływujących na środowisko naturalne. Potencjalny odbiorca technologii wytwarzania 3D róż grafenowych w zminimalizowanym zakresie będzie oddziaływał na atmosferę, glebę i zasoby wodne. Innowacyjność wynalazku polega na zastosowaniu całkowicie nowych surowców i materiałów.

ISTOTA WYNALAZKU

Wynalazek wychodzi naprzeciw potrzebom wynikającym z jego przyszłego praktycznego zastosowania. Przystępując do prac badawczo-rozwojowych autorzy wynalazku założyli, iż należy:
- stosować materiały powszechnie dostępne w obiegu przemysłowym,
- ograniczyć liczbę i ilość stosowanych odczynników,
- stosować materiały i odczynniki o potwierdzonej niskiej/znikomej toksyczności dla ludzi i środowiska naturalnego,
- uzyskać wysoki stopień konwersji surowców w materiał finalny by ograniczyć ilość odpadów i koszty utylizacji.
Przedstawiony wynalazek to metoda otrzymywania 3D róż grafenowych. Stosowane dotychczas syntezy są skomplikowane i opierają się na oleju jako medium do formowania lub wysokoenergetycznego promieniowania laserowego które powoduje niepożądane utlenianie materiału. W metodzie olejowej konieczne jest usunięcie resztek oleju z powierzchni granulek grafenowych. Wymaga użycia dużej ilości wody detergentów i/lub rozpuszczalników organicznych. Dlatego usuwanie oleju generuje dodatkowe koszty i nie jest przyjazne dla środowiska. Metoda laserowa jest nieefektywna i wymaga osadzenia warstwy węgla na stałym podłożu. Wystawienie na wiązkę lasera o wysokiej energii inicjuje reakcję grafenu z tlenem z powietrza. Wymaga atmosfery beztlenowej co komplikuje technicznie i zwiększa koszty związane z budową hermetycznej komory. Nasz wynalazek to bezolejowa oraz bezlaserowa metoda otrzymywania 3D róż grafenowych, która ma charakter nowości w skali światowej (zdjęcia załącznik nr 3). Istotą metody jest wykorzystanie zjawiska samorzutnej agregacji separowanych płatków grafenowych wcześniej otrzymanych na drodze mokrej eksfoliacji komercyjnego grafitu/proszku grafenowego. Agregacja zachodzi w warunkach szoku termicznego jaki ma miejsce podczas kontaktu zawiesiny płatków z gorącym podłożem. Następuje wówczas samoorganizacja do struktur przypominających kwiaty - róże. 3D róże grafenowe są stabilne chemicznie i mają wysoką przewodność elektryczną. Są to wysoce mezoporowate materiały o trójwymiarowej strukturze i dużej powierzchni właściwej (ponad 1000 m2/g). Testy elektrochemiczne potwierdziły potencjalne zastosowanie jako materiał elektrodowy do generacji energii elektrycznej w bateriach Zn-powietrze oraz superkondensatorach (zdjęcia załącznik nr 3). Zaletą wynalazku jest prosta zaledwie kilkuetapowa technologia wytwarzania. Poprzez szeroko rozumiane modyfikacje grafenowego nośnika otrzymaliśmy struktury o pożądanej morfologii, właściwościach adsorpcyjnych i stabilności. By uniknąć wysokich kosztów, do uzyskania struktury grafenowej jest stosowany powszechnie komercyjny grafit. Opracowana nowa technologia, pozwala na sterowanie parametrami powierzchniowymi i elektrochemicznymi materiału. Otrzymane 3D róże grafenowe mają unikalne hierarchiczne struktury warstwowe.
Regulowanie struktury porowatej, prostota, niski koszt wytworzenia, nie ma znacznego ubytku masy surowca, co korzystnie wpływa na opłacalność produkcji materiałów. Inne zalety materiału to:
a) prosta produkcja
b) warunki syntezy: atmosfera powietrza; temperatura 150°C – 300°C
c) niski koszt wytworzenia – róże są wytwarzane z powszechnie dostępnych proszków grafitowych/grafenowych koszt 100 g surowca: 15 PLN – 340 PLN
d) stabilność materiału, nie występuje znaczny ubytek masy surowca, co korzystnie wpływa na opłacalność produkcji materiałów
e) duża powierzchnia właściwa (pole powierzchni przekraczające 1000 m2/g)
f) sterowalna struktura porowata
g) sterowana przewodność elektryczna
h) wysoka aktywność jako materiału katodowego do redukcji tlenu, lepsza niż dla materiałów elektrodowych na bazie Pt i Pd

POTENCJAŁ KOMERCJALIZACYJNY WYNALAZKU

Opisany wynalazek wykazuje bardzo wysoki potencjał komercjalizacyjny. Wynalazek świetnie się wpisuje w obecne światowe trendy produkcji energii. Wartość naukowa oraz przede wszystkim innowacyjność projektu została doceniona na Międzynarodowych Targach Wynalazczości: 4 złote medale, 1 srebrny medal, 1 nagroda specjalna, 2 wyróżnienia w konkursach Student-Wynalazca 2020 i Moja Firma – Mój Startup im. prof. Stefana Mellera 2020 oraz dyplom od Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego RP. Technologia jest adresowana głównie dla firm zajmujących się produkcją baterii metal-powietrze czy superkondensatorów celem wspólnego podniesienia poziomu V TRL do poziomu IX. Wówczas będzie można mówić o pełnym wdrożeniu technologii. Opracowana technologia może być oferowana dużej firmie jak również mniejszym firmom z sektora produkcji baterii oraz superkondensatorów. Rosnąca świadomość ekologiczna Polaków oraz przystępne ceny mogą przełożyć się na wzrost zainteresowania naszym nowym rozwiązaniem.