Graphen: Wie kann man den Werkstoff der Zukunft in kommerziellen Mengen herstellen?

Das sogenannte „Graphen-Flaggschiff“ ist eine Initiative der Europäischen Union und hat sich zum Ziel gesetzt, die Entwicklung von Graphen bis Anfang 2020 aus dem Labor in den Verbrauchermarkt zu bringen.

Was ist Graphen?

Graphen ist eine Modifikation (Erscheinungsform) das Kohlenstoffes, in der der Kohlenstoff in 2-dimensionale Schichten so angeordnet ist, dass sich ein bienenwabenförmiges (hexagonales) Muster bildet. Graphen kann in drei Typen unterteilt werden: einschichtiges (single-layered), doppelschichtiges (double-layered) and mehrschichtiges (multi-layered) Graphen.

Einschichtiges Graphen ist sozusagen die reinste Form mit einzigartigen Eigenschaften. Diese Eigenschaften machen (einschichtiges) Graphen zu einem attraktiven Produkt für eine Vielzahl von Anwendungen.
Sowohl zwei- als auch mehrschichtiges Graphen haben andere (weniger ausgeprägte) Eigenschaften.

Mit zunehmender Anzahl der Schichten wird die Herstellung immer kostengünstiger, allerdings werden die Eigenschaften auch schlechter.

In diesem Blog beschränke ich mich auf einschichtiges Graphen, da dieser Typ bis heute immer noch das beste Ergebnis in verschiedenen Untersuchungen liefert.

Graphen ist das weltweit erste 2D-Material, das aus nur einer einzigen Atomschicht Kohlenstoff besteht. Kohlenstoff kommt in seiner elementaren Form auch als Diamant und als amorpher Kohlenstoff (z.B. Aktivkohle) und Graphit vor. Graphit wird seit Jahrtausenden zum Zeichnen und Schreiben verwendet (z.B. in Bleistiften).Seine Struktur ist ähnlich dem Graphen. Die Kohlenstoffatome im Graphen sind wie bereits gesagt in einer Sechseckstruktur angeordnet. Wir alle wissen aus dem Chemieunterricht, dass Kohlenstoff 4-bindig ist. Da jedes Kohlenstoffatom 2-dimansional von 3 anderen Kohlenstoffatomen umgeben ist, wird die 4. Bindung als delokalisierte Doppelbindung ausgebildet und so ein mesomeres System aus sich ständig verändernden Doppelbindungen ausgebildet (die Elektronen werden quasi über die gesamte Ebene "verschmiert"). Das ist die Ursache der einzigartigen Eigenschaften.

Einschichtiges Graphen zeichnet sich durch folgende Eigenschaften aus:

200 Mal stärker als Stahl
einschichtiges Graphen hat einen dicke von weniger als 250 pm
1.000.000 Mal dünner als ein menschliches Haar
Das leichteste Material der Welt (1 m² wiegt etwa 0,77 Milligram)
Flexibel
Transparent
Undurchdringlich für Moleküle
Exzellente elektrische und Wärmeleitfähigkeit

Graphen kann außerdem mit anderen Materialien wie Gasen oder Metallen kombiniert werden zur Herstellung neuer Materialien mit den oben genannten Eigenschaften oder zur Verbesserung bestehender Materialien.

Graphen-Herstellung

Aktuell gibt es noch keine Methode, um Graphen in größerem Umfang und zu akzeptablen Kosten herzustellen. Weltweit wird daran intensiv geforscht.

3D-Modellstruktur von Graphen

Plasma-gestütze chemische Gasphasenabscheidung (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition , PE-CVD)

Es gibt eine Reihe von verschiedenen Methoden, um Graphen herzustellen. Eine der gebräuchlichsten Methoden in der einschichtigen Graphenherstellung ist die Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition (PE-CVD). Bei diesem Verfahren wird ein Gasgemisch - in dem mindestens ein Gas Kohlenstoff enthält – stark erhitzt, so dass sich ein Plasma bildet. Hier kommen unsere Massendurchflussmesser und -regler in CVD-Prozessen zum Einsatz, um Gase und Flüssigkeiten präzise zu dosieren. IM PE-CVD-Prozess bildet das Plasma eine Graphen-Monoschicht auf einem Nickel- oder Kupfersubstrat.

Das Erhitzen erfolgt im Hochvakuum, aber es kann auch ein "grüner" CVD-Prozess verwendet werden, bei dem die Erwärmung unter Atmosphärendruck erfolgt.

Durch den Einsatz von Chemical Vapour Deposition können große Graphenplatten hergestellt werden. Einige der verwendeten Precursoren (Ausgangsstoffe) sind Flüssigkeiten (z.B. Ethanol), die zuerst verdampft werden müssen, um im CVD-Prozess in ihrer gasförmigen Form verwendet zu werden. Es ist sehr wichtig, dass das Plasma mit der richtigen Zusammensetzung und der richtigen Präzision erzeugt wird. Dies kann durch den Einsatz von hochpräzisen Durchflussinstrumenten erreicht werden. Eine Abweichung im Plasma kann zu Defekten in der Graphenschicht führen. Fehler können z.B Verunreinigungen (Störstellen) in der 2D-Struktur sein, die die einzigartigen Eigenschaften des Materials verändern können.

“Grüner” CVD-Prozess: Herstellung von hochwertigem Graphen bei Atmosphärendruck

Unser spanischer Vertriebspartner, Iberfluid Instruments S.A., hat kürzlich mit der Universität Cordoba zusammengearbeitet, um die Möglichkeiten der Graphenproduktion im großen Stil unter Verwendung einer plasmagestützten Technik unter Atmosphärendruck zu untersuchen. In dieser Forschung wurde Ethanol mit Hilfe des Bronkhorst-Verdampfungssystems, dem sogenannten Controlled Evaporation and Mixing (CEM) System, zu einem Plasma verdampft. Mit dem Einsatz eines Verdampfersystems werden Flüssigkeiten direkt verdampft, um das richtige Gemisch für das Plasma zu erzeugen. Ein möglicher Aufbau eines solchen Verdampfungssystems kann aus einem CEM-System mit einem zusätzlichen Flüssigkeitsströmungsmesser (d.h. einem Coriolis-Massendurchflussmesser aus der mini CORI-FLOW-Serie) für Ethanol, einem Gasdurchflussregler (d.h. einem EL-FLOW-Massendurchflussregler) für Argon, der als Trägergas fungiert, und schließlich einem temperaturgesteuerten Regel- oder Mischventil bestehen.

Ein Verdampfungssystem wie das Bronkhorst CEM-System kann hervorragende Leistungen in Bezug auf Stabilität und Genauigkeit liefern. Diese Eigenschaften garantieren eine zuverlässige Erzeugung von Plasma, was letztendlich zu einer höheren Qualität des Graphens führt.

Im Applikationsbericht "Scalable graphene production from ethanol decomposition by microwave argon plasma torch" erfahren Sie mehr, warum die Universität Cordoba (Spanien) das Bronkhorst Controlled Evaporation and Mixing System im PE-CVD Graphenherstellungsprozess einsetzt.

Bronkhorst CEM System für die Forschung der Universität Cordoba

Anwendungsgebiete für Graphen

Aufgrund einer Vielzahl von einzigartigen Eigenschaften findet die Forschung in zahlreichen Anwendungsbereichen statt. Der Schwerpunkt liegt auf ein- und zweilagigem Graphen. Im Moment scheint es, dass einschichtiges Graphen immer noch die besten Ergebnisse liefert. Gleichzeitig wurde die Verwendung von sogenannten Flakes (Flocken) berücksichtigt. Diese Flakes sind winzige Graphenstücke, die mit einem anderen Material, wie beispielsweise Polymeren, vermischt werden können. Die Eigenschaften dieser Materialien können durch Hinzufügen von Graphen-Flakes verbessert werden, wodurch Graphen in verschiedenen Branchen breit einsetzbar ist. Ein paar Beispiele, die auf einschichtigem Graphen basieren:

Wasseraufbereitung: Wissenschaftler entwickeln derzeit ein fortschrittliches Filtersystem auf Basis eines Graphenoxids, das verwendet wird, um verunreinigtes Wasser trinkbar zu machen.
Medizinische Anwendungen: Da Graphen für den menschlichen Körper nicht giftig ist, wird untersucht, wie man Graphen für den medizinischen Transport im Körper verwenden kann, indem man das Medikament an das Graphen anbringt. Graphen hat auch die Eigenschaften, die Bakterienbildung zu verhindern, was es ideal als Beschichtung für Implantate macht.
Energiewirtschaft: Aufgrund der großen Oberfläche und der hervorragenden elektrischen Leitfähigkeit kann Graphen als Energiespeicher eingesetzt werden. Ziel ist es, Graphenbatterien kompakter als bisher zu machen und gleichzeitig die Kapazität zu erhöhen, damit Batterien innerhalb von Sekunden geladen werden können.
Textilindustrie: Graphen könnte zur Verarbeitung von Elektronik in Textilien verwendet werden, wie beispielsweise effektive, effiziente und hochpräzise Sensoren. Darüber hinaus können Graphen-Korrosionsschutzbeschichtungen und leitfähige Farben hergestellt werden.
Halbleiter-Industrie: Dank der guten elektrischen und thermischen Leitfähigkeit bietet Graphen Möglichkeiten, die Geschwindigkeit und Kapazität von Chips (für Computer und Smartphones) zu erhöhen.

Graphen ist ein sehr spannendes Thema. Wir verfolgen die Entwicklung von Graphen weiterhin aufmerksam und werden Sie auf dem Laufenden halten. Lesen Sie weiter in unserem Blogbeittrag von John S. Bulmer (Universität Cambridge) über Carbonnanotubes.

Carbon Nanotubes