Teer, kolen en pek als energieopslagsystemen, thermisch-actieve coatings en sensoren

Kolen, teer en pak kunnen voor heel andere doeleinden toegevoegde waarde bieden dan tot nu toe gedacht. Denk hierbij aan energieopslagsystemen, thermisch-actieve coatings en elektronische sensoren.

Dit stelt hoogleraar Jeffrey Grossman van de Amerikaanse universiteit MIT. Grossman is van mening dat fossiele brandstoffen niet zo zeer als goedkope brandstof of middel om kieren op te vullen zouden moeten worden gebruikt. Hij ziet een breed scala aan toepassingen die profiteren van de complexe chemische samenstelling van dergelijke fossiele brandstoffen.

Schoner gebruik

Bij de verbranding van fossiele brandstoffen komen schadelijke stoffen vrij die bijdragen aan de opwarming van de aarde. In andere gevallen komt het materiaal uiteindelijk op vuilstortplaatsen terecht en vervuilt zo het milieu. Door fossiele brandstoffen anders in te zetten stelt Grossman dan ook dat het gebruik van de brandstoffen minder vervuilend en schoner kan worden.

In een recent onderzoek neemt Grossman samen met een onderzoeksteam de proef op de som. Uit het onderzoek blijkt dat kolen, teer en pek als basis kunnen dienen voor een dunne coating met een zeer nauwkeurig bestuurbare en reproduceerbare elektrische geleiding, porositeit en andere eigenschappen. Met behulp van een laser zijn de onderzoekers erin geslaagd uit dit materiaal prototypes te ontwikkelen. Denk hierbij aan een halfgeleider die elektriciteit kan opslaan, een flexibele drukmeter en een transparant verwarmingselement.

Koolstofhoudende zware koolwaterstoffen

Het onderzoek is in het specifiek toegespitst op alternatief gebruik van koolstofhoudende zware koolwaterstoffen. Dit zijn stoffen die miljoenen jaren geleden onder hoge druk en bij veel warmte zijn ontstaan uit rottend plantmateriaal. De materialen bevatten een rijke variatie aan atomische samenstellingen met verschillende chemische en structurele eigenschappen. Geen enkel synthetisch nanomateriaal op basis van koolstof biedt vergelijkbare eigenschappen, stelt Grossman.

Met behulp van lasergloeien brengen de onderzoekers zeer dunne lagen koolstofhoudend materiaal aan op een substraat. Door lagen van verschillende koolstof-gebaseerde materialen op elkaar te printen is het mogelijk functionele apparaten te ontwikkelen. Door deze materialen met verschillende frequenties met laserpulsen van verschillende sterkte te bestoken, is het mogelijk onder meer fysieke, optische, elektrische en magnetische eigenschappen te bepalen.

Van grafeen tot aromatische polymeren

“We kunnen alles creëren van grafeen tot een vorm van aromatisch-rijke polymeren”, zegt Ferralis, één van de onderzoekers betrokken bij het onderzoek. “En met eigenschappen die kunnen variëren van thermische en elektrische isolatoren tot thermische en elektrische geleiders. We kunnen de porositeit veranderen, zodat het ons niet alleen in staat stelt vaste materialen te creëren maar ook zeer poreuze materialen. Dit maakt het mogelijk membranen te maken.”

Ferralis hoopt dat de ontdekking onder meer kan leiden tot innovatie op het gebied van inkt voor 3D-printers. Door de samenstelling van de inkt aan te passen is het mogelijk de eigenschappen te veranderen. De inkt kan worden gebaseerd op allerlei soorten zware koolwaterstoffen, waarvan er veel in grote voorraden aanwezig zijn. Bijvoorbeeld als reststof bij de productie van petroleum of andere chemische processen.

Dagelijkse toepassingen

Door de brede beschikbaarheid van materiaal voorzien van onderzoekers allerlei dagelijkse toepassingen. Ferralis: “Indien we dit processen kunnen opschalen naar bulksystemen, kan het gebruikt worden voor structurele materialen of bijvoorbeeld isolatie voor huizen. Dingen die een grote hoeveelheid materiaal vereisen.”

De ontdekking kan mogelijk ook een economische opsteker zijn voor regio’s die van oudsher afhankelijk zijn van de productie van kolen. Nu kolencentrales in toenemende mate uitgefaseerd worden, loopt de vraag naar kolen terug en worden deze regio’s financieel getroffen. De nieuwe toepassing van kolen kan de vraag naar het materiaal vergroten.

Auteur: Wouter Hoeffnagel