Graphene - Vật liệu giúp ngành xây dựng giảm tác động môi trường

“Graphene là kẻ ‘thay đổi cuộc chơi’ trong việc làm cho các tòa nhà trở nên xanh hơn”, “Bê tông xanh hơn nhờ Graphene”, “Graphene thay thế cát, giúp sản xuất bê tông nhẹ và bền hơn”, “Nâng cấp mặt đường với siêu vật liệu graphene”, đó là một số tiêu đề ấn tượng ca ngợi khả năng của graphene.

Là một vật liệu cực kỳ nhẹ, mạnh và bền được làm từ một lớp nguyên tử carbon duy nhất sắp xếp theo mạng lục giác, graphene có rất nhiều tính chất thú vị với tiềm năng ứng dụng trải rộng từ bán dẫn, pin nhiên liệu, vi mạch điện tử đến chế tạo các dạng vật liệu tổng hợp, sơn, cảm biến y tế, lọc nước v.v. Miễn là nó có thể được sản xuất không quá đắt đỏ ở quy mô lớn, người ta có thể khai thác lợi thế của nó.

Nhưng cũng giống như các tiêu đề giật gân cho thấy, trên thế giới vật liệu này mới bắt đầu được sử dụng trong các ứng dụng thực tế trong vòng 5-6 năm trở lại đây. Vấn đề không nằm ở tính chất của graphene mà nằm ở thực tế là việc sản xuất chúng ở quy mô thương mại vẫn cực kỳ khó khăn và tốn kém.

Sản xuất Graphene?

Graphene được sản xuất theo hai cách chính: từ trên xuống hoặc từ dưới lên. Cách tổng hợp từ trên xuống còn được gọi là “tẩy da chết", tức bóc tách các lớp carbon từ những vật liệu giàu carbon như than chì tinh thể cao (graphite) để thu được lớp carbon mỏng nhất có thể. Phương pháp này có sản lượng cao và các nhà máy có thể sản xuất vài tấn graphene mỗi năm

Cách tổng hợp từ dưới lên có tên gọi khác là "ngưng tụ hơi hóa học", tức lắng đọng khí metan lên bề mặt chất nền kim loại để các nguyên tử carbon đọng lại, kết hợp với nhau thành mạng nguyên tử graphene. Phương pháp này tạo ra graphene chất lượng cao nhưng có thể mất hàng giờ để tạo ra chỉ 0,00001 gram vật liệu.

Mỗi cách đều có thể tạo ra graphene với chất lượng rất khác nhau vì mạng phân tử carbon dễ bị hỏng, biến dạng hoặc quá dày trong quá trình sản xuất. Điều này gắn với thực tế là các nhà sản xuất hiện tại của bất kỳ loại vật liệu carbon nào cũng bắt đầu tự dán nhãn mình là nhà sản xuất graphene, mặc dù đôi khi chúng chỉ là một mớ hỗn độn của than chì.

Nói chung, các phương pháp sản xuất graphene thường đắt đỏ, tốn nhiều năng lượng, tài nguyên, và có sản lượng ít. Dữ liệu định giá graphene cho thấy chi phí thương mại của vật liệu này có thể dao động mạnh trong khoảng từ 100-400 USD/gram. Sự khác biệt chủ yếu là do giá cả phù hợp với chất lượng và không phải tất cả các ứng dụng đều yêu cầu graphene chất lượng cao nhất. Các loại vật liệu khác có gốc graphene (như graphene oxide GO) có giá thấp hơn đáng kể.

Các viện nghiên cứu và công ty trên khắp thế giới đang tìm cách cải tiến công nghệ để giảm giá thành. Chẳng hạn, Dự án Graphene Flagship do Ủy ban châu Âu đưa ra vào năm 2013 đã dẫn đến việc giảm giá đáng kể (từ 1000 Euro/cm² xuống dưới 2 Euro/cm² vào năm 2020) và tăng khối lượng sản xuất cho graphene. Hiện nay, hàng chục đối tác đang thương mại hóa các ứng dụng của Graphene Flagship.

Một kỹ thuật mới được các nhà khoa học Mỹ phát hiện vào năm 2020 gọi là gia nhiệt Flash Joule cũng đặc biệt hứa hẹn vì nó có thể làm nóng các vật liệu giàu carbon bằng một luồng điện, biến nó thành các mảnh graphene. Quy trình này có thể tạo ra nhiều graphene chất lượng cao với chi phí tương đối thấp từ bất kỳ vật liệu chứa carbon nào như than cốc, thậm chí là rác hữu cơ. Một công ty khởi nghiệp tên là Universal Matter đang thương mại hóa quy trình này.

Ở Ấn Độ, Viện Công nghệ Patna cũng phát triển một phương pháp sản xuất graphene bằng súng plasma. Phương pháp này đã chứng minh hiệu quả sản xuất vật liệu graphene chất lượng cao và ước tính chỉ tốn khoảng 1,12 USD cho mỗi gram graphene.

Bên cạnh đó, các công ty sản xuất hóa chất lớn như NanoXplore (Canada)đã công bố các quy trình độc quyền mới để sản xuất graphene dựa trên công nghệ tẩy da chết, trong khi những công ty khởi nghiệp như CleanGraph (Đức), Salgenx (Mỹ) cũng giới thiệu các công nghệ của riêng mình để sản xuất graphene với giá dưới 1,25 USD mỗi gram.

Sản xuất và ứng dụng tại Việt Nam

Điều bất ngờ là Việt Nam cũng không thua kém thế giới trong việc phát triển vật liệu graphene. Graphenel JSC, có trụ sở tại thành phố Hồ Chí Minh, là một công ty sản xuất graphene quy mô lớn với công suất hơn 1 tấn/năm. Đây có lẽ là một trong những công ty hiếm hoi (thậm chí là duy nhất) sản xuất graphene thương mại trong nước.

Các nhà đồng sáng lập của Graphenel đã bắt tay vào tìm kiếm phương pháp chế tạo vật liệu từ năm 2011 và hoàn thành nó sau bảy năm. Họ đã phát triển một quy trình dựa trên công nghệ tẩy da chết, sử dụng muối làm chất xúc tác, xử lý ở nhiệt độ thấp (600-800^oC) và dùng đầu vào là các nguồn carbon có hiệu suất chi phí tốt hơn than chì để sản xuất các vật liệu graphene.

Theo báo cáo, nhà máy ở TP.HCM có thể chế tạo khoảng 200 gram graphene từ 1kg nguyên liệu mỡ động vật tinh chế và một chu kỳ sản xuất thông thường tạo ra 6kg graphene trong khoảng hai ngày. Phương pháp này được chứng minh tạo ra >90% vật liệu graphene dày từ 2-5 lớp.

Như với bất kỳ vật liệu nào, chi phí graphene có mối liên hệ với chất lượng graphene. Ví dụ, chi phí graphene nanoplatelets của Graphenel không tốn kém lắm, chỉ khoảng 0,1 USD/gram, và có thể được sử dụng cho các ứng dụng phụ gia xi măng hoặc một số sản phẩm xử lý nước.

Trong khi đó, graphene oxide và reduced graphene oxide đắt hơn hàng chục lần (40-60 USD/gram) và có thể dùng trong cảm biến, sơn phủ chống ăn mòn.

Họ cũng bán các loại graphene layers dạng tinh chế nhất và đắt nhất - lên tới 80 USD/gram - cho một vài bên muốn tự xử lý graphene phục vụ cho hoạt động nghiên cứu hoặc tự tạo ra ứng dụng của riêng mình, ví dụ như các phòng thí nghiệm.

Hiện nay, Graphenel đang đi sâu vào dùng vật liệu gốc graphene làm phụ gia bê tông. Họ thừa nhận rằng mình chưa đạt đến các kỹ thuật để tạo ra vật liệu graphene hoàn hảo cho các ứng dụng tiên tiến như bán dẫn, nhưng “đủ tốt” để dùng trong các ứng dụng vật liệu xây dựng dân dụng.

Từ năm 2020, Graphenel đã hợp tác với Đại học Tôn Đức Thắng và một số nhà máy để thử nghiệm phụ gia graphene trên các dây chuyền sản xuất bê tông hoặc gạch không nung. Kết quả cho thấy, với sự lựa chọn đúng đắn về vật liệu và phương pháp xử lý, vật liệu graphene nanoplatelets thực sự không chỉ làm tăng tính chất cơ lý của bê tông lên 30-40% mà còn làm giảm lượng xi măng cần sử dụng trong bê tông từ 10-15%, từ đó gián tiếp tạo ra ít khí thải carbon hơn cho ngành xi măng.

“Giảm lượng khí thải CO2 trong ngành vật liệu xây dựng là một thách thức quốc gia cực kì quan trọng. Ngành này đang đứng trước áp lực hướng đến Net-Zero của chính phủ. Họ đang tìm đủ mọi cách để giảm phát thải và phụ gia graphene cung cấp một lộ trình thích hợp để đạt được điều đó.” chị Nguyễn Thị Linh Phương, đồng sáng lập chịu trách nhiệm phát triển kinh doanh của Graphenel, chia sẻ.

Có một mối tương hỗ thú vị giữa những người đầu tiên sản xuất graphene và những người đầu tiên sử dụng graphene trong lĩnh vực này tại Việt Nam. Hai công ty đầu tiên thử nghiệm chất phụ gia này - Công ty CP Gạch Tuynen Bình Định và Công ty Vật liệu Saint-Gobain Việt Nam ở Long An - đều là những người chủ động tìm đến Graphenel khi xem xét các giải pháp cải thiện sản xuất. Họ có dây chuyền sản xuất từ 75.000 - 150.000 tấn vật liệu mỗi năm và đều đang tìm cách cải thiện sản xuất để giành được “lợi thế dẫn đầu” trong phân khúc của mình.

Ngược lại, công ty Graphenel cung cấp nhân lực kỹ thuật, vật liệu graphene để cùng đối tác phát triển công thức phụ gia của riêng mình, sau đó thử nghiệm chúng ở nhà máy trong sáu tháng. Đến nay, các kết quả gần như đã nhìn thấy rõ. Và đối tác của họ đều ít nhiều có kế hoạch chuyển đổi một phần sản phẩm thành dòng mới dùng graphene.

“Điều đặc biệt là phụ gia graphene nanoplatelets làm thay đổi cấu trúc sản phẩm nhưng không làm thay đổi quy trình sản xuất. Nó chỉ làm giảm vật liệu xi măng cần dùng, từ đó giúp doanh nghiệp tiết kiệm tổng chi phí và cạnh trạnh về giá”, chị Phương nói. “Dĩ nhiên, việc này cần thời gian thử nghiệm nên không phải công ty nào cũng có đủ nguồn lực để tạo ra một dòng sản phẩm mới như vậy. Tuy nhiên, lợi ích xã hội tổng thể là rất lớn nếu có nhiều công ty trong ngành chuyển đổi sản phẩm của mình.”

Graphenel đang tìm cách tiếp cận nhiều nhà máy sản xuất vật liệu xây dựng ở Việt Nam hơn. Họ cũng đang kêu gọi sự hỗ trợ của chính quyền để tạo cơ chế thúc đẩy sử dụng các vật liệu gạch không nung, bê tông mới trong đầu tư công. Một khi chi phí graphene giảm và các ứng dụng của nó được chứng minh, Graphenel tin rằng mình sẽ có cơ hội tốt hơn khi giao tiếp với khách hàng.

“Chúng tôi đã gặp nhiều người chưa từng nghe nói đến graphene và việc thuyết phục họ sử dụng một vật liệu hoàn toàn mới là không dễ dàng. Họ hơi e ngại rủi ro. Hơn thế nữa, tình hình kinh tế trì trệ sau COVID cũng khiến mọi người cân nhắc hơn. Giai đoạn 2019-2020 chúng tôi có khá nhiều bên kết nối để tìm hiểu về các ứng dụng của graphene nhưng chúng đã bị đứt gãy vì dịch bệnh và giờ nhiều người cũng chưa sẵn sàng nối lại. Chúng tôi cần tìm thêm những người mới.”, chị Phương nói.

Từ năm 2024, với yêu cầu kiểm kê khí nhà kính 2 lần/năm bắt đầu có hiệu lực, có lẽ nhu cầu về các ứng dụng giúp giảm CO2 trong ngành xây dựng sẽ tăng lên. Nhưng sẽ mất một thời gian trước khi vật liệu graphene này phát huy hết tiềm năng của nó.

Trong thời gian đó, Graphenel nói rằng họ vẫn song song phát triển các ứng dụng graphene cho những ngành tiềm năng khác ở Việt Nam bao gồm pin nhiên liệu, sơn phủ và công nghệ y tế.