Theo báo chí nước ngoài đưa tin, các nhà nghiên cứu từ Đại học Michigan đã phát hiện một loại carbon trong tro bụi vỏ gạo đã cháy. Loại carbon “cứng” bền vững này cho thấy hiệu suất vượt trội so với than chì thông thường trong các điện cực của pin, gần như có thể nhân đôi mật độ năng lượng của pin lithium-ion hoặc sodium-ion truyền thống.
Hình ảnh STEM cho thấy mạng lưới carbon xốp còn lại sau khi loại bỏ silicon từ tro vỏ gạo.
Đây là lần đầu tiên chứng minh rằng có thể sản xuất carbon cứng bằng phương pháp đốt. Trước đây, người ta cho rằng chỉ có thể tạo ra carbon cứng bằng cách nung sinh khối (như chất thải nông nghiệp) trong môi trường kỵ khí như nitrogen hoặc argon ở nhiệt độ khoảng 1200°C. Quy trình này cũng bền vững hơn so với việc sản xuất than chì từ sinh khối. Để sản xuất than chì từ sinh khối, cần nung đến 2000°C hoặc cao hơn, mỗi tấn than chì cấp pin sản xuất ra từ 5 đến 10 tấn CO2.
Trong các công trình trước đây, nhóm đã trình bày phương pháp loại bỏ một phần silicon dioxide từ tro vỏ gạo, trong đó tro vỏ gạo chứa khoảng 90% silicon dioxide và 10% carbon. Silicon dioxide này có thể được sử dụng để sản xuất silicon tinh khiết cao cho tế bào năng lượng mặt trời hoặc bán dẫn. Sau khi loại bỏ một phần silicon dioxide qua quá trình phân giải từ tro vỏ gạo, hàm lượng carbon còn lại trong tro khoảng 60% đến 70%.
Dựa trên các mẫu hình được tạo ra khi chiếu X-quang vào vật liệu, người ta cho rằng carbon còn lại mang tính vô định hình và lộn xộn, và vật liệu này được gọi là carbon vô định hình. Tuy nhiên, các kỹ thuật quang phổ đặc biệt phản ánh chi tiết ở cấp độ phân tử đã tiết lộ sự hiện diện của các đảo graphite ở quy mô nano trong ma trận carbon vô định hình. Hỗn hợp carbon vô định hình này được gọi là carbon cứng. Giáo sư Richard Laine từ Khoa Khoa học Vật liệu và Kỹ thuật và Khoa học và Kỹ thuật Đại phân tử tại Đại học Michigan cho biết: “Trong trường hợp này, carbon cứng có thể được tạo ra bằng cách đốt cháy. Bởi khi carbon trong vỏ gạo bị cháy, một lớp silicon dioxide sẽ hình thành xung quanh carbon còn lại, và sau đó nó sẽ được nướng như một chiếc bánh pie.”
Các thử nghiệm cho thấy carbon cứng thu được từ tro vỏ gạo khi được sử dụng làm anode (điểm dòng điện ra khỏi pin) cho pin lithium-ion có hiệu suất điện hóa tốt hơn so với carbon cứng thương mại và than chì. Một gram carbon cứng thương mại có thể hấp thụ đủ lithium để lưu trữ khoảng 500mAh năng lượng (mAh là đơn vị mô tả dung lượng lưu trữ của pin). Trong khi đó, một gram than chì hấp thụ lithium khoảng 370mAh. Carbon cứng từ tro vỏ gạo vượt qua cả hai, với dung lượng lưu trữ trên 700mAh, gần gấp đôi than chì.
Các nhà nghiên cứu tin rằng cấu trúc nanopore của carbon cứng phân lập có thể giúp tăng cường dung lượng lithium. Việc chuyển đổi chất thải nông nghiệp thành sản phẩm carbon cứng từ tro vỏ gạo có thể giúp đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về pin xe điện và lưu trữ năng lượng tái tạo không liên tục, đồng thời giảm chi phí và khí thải.
Công trình này của Đại học Michigan chủ yếu được tài trợ bởi Quỹ Khoa học Quốc gia Mỹ (National Science Foundation) và Trung tâm Nghiên cứu & Phát triển Bắc Mỹ của Mercedes-Benz. Ngoài ra, nghiên cứu này còn có sự tham gia của Sylvio Indris từ Viện Công nghệ Karlsruhe (Karlsruhe Institute of Technology) ở Đức. Wadham Energy đã cung cấp tro vỏ gạo được sử dụng trong nghiên cứu này. Trung tâm tính năng vật liệu Michigan (Michigan Center for Materials Characterization) đã thực hiện một phần nghiên cứu về quy trình này.
