Bronkhorst

Grafeen, hoe kan dit op grote schaal geproduceerd worden?

8 November, 2022 Gerhard Bauhuis

Wat is de rol van flowregeling bij de productie van grafeen?

Grafeen kan met verschillende methoden worden geproduceerd. Een van de meest gebruikte methoden voor de productie van eenlaags grafeen is plasma versterkte chemische dampdepositie (PE-CVD). Er worden flowregelaars gebruikt om gassen en vloeistoffen in het proces te doseren. 
In deze blog wil ik het verhaal delen van onze Spaanse distributeur, Iberfluid Instruments S.A, die in samenwerking met de Universiteit van Cordoba onderzoek heeft gedaan naar de mogelijkheden van grafeenproductie op grote schaal met behulp van een op plasma gebaseerde techniek onder atmosferische druk met een Bronkhorst verdampingssysteem. 
Laat ik beginnen met wat achtergrondinformatie over grafeen en het door de Europese Commissie gefinancierde Flagship. 
 

 

Grafeen productie

Graphene Flagship

Het Graphene Flagship werd in 2013 gefinancierd door de Europese Commissie en heeft grafeenonderzoek en -innovatie vanuit het lab naar verschillende commerciële toepassingen weten te brengen. Het 'Graphene Flagship' is een Future and Emerging Technology Flagship van de Europese Commissie.  Het Graphene Flagship vergemakkelijkt het bijeenbrengen van competenties en de samenwerking tussen zijn partners en probeert de industriële acceptatie van grafeentechnologieën te versnellen en te bevorderen.  
Toepassingen voor grafeen zijn te vinden op verschillende gebieden, van energie en vervoer tot elektronica en biogeneeskunde, en beïnvloeden ons dagelijks leven. Het Graphene Flagship dient als technologieversneller en helpt Europa te concurreren met andere wereldmarkten op het gebied van onderzoek en innovatie. Met een extra investering van 20 miljoen euro heeft de Europese Commissie nu de oprichting van een experimentele proeflijn voor op grafeen gebaseerde elektronica, opto-elektronica en sensoren gefinancierd.

Wat is grafeen?

Grafeen kan onderverdeeld worden in 3 verschillende typen: enkellaags, dubbellaags en multi-laags grafeen:

  • Enkellaags grafeen is de puurste vorm die verkrijgbaar is en de vorm die bijzondere eigenschappen heeft. Deze eigenschappen maken (enkellaags) grafeen een aantrekkelijk product voor een groot aantal toepassingen. 
  • Dubbellaags en multi-laags grafeen beschikken over andere (minder kwalitatieve) eigenschappen. 
Naarmate het aantal lagen toeneemt, wordt het steeds voordeliger om te produceren. 
In deze blog beperk ik mij tot enkellaags grafeen, omdat dit vooralsnog het beste resultaat geeft in het onderzoek.

Grafeen is ‘s werelds eerste 2D materiaal bestaande uit een enkele atoomlaag koolstof; het materiaal waar ook diamant en een potloodpunt van zijn gemaakt. De koolstofatomen van grafeen zijn gerangschikt in een hexagonale (honingraat/kippengaas) structuur.

Grafeen kan ook worden gecombineerd met andere materialen, zoals gassen en metalen, om nieuwe materialen met de bovengenoemde eigenschappen te produceren of bestaande materialen te verbeteren.
Op dit moment is er nog geen methode beschikbaar om grafeen op grotere schaal te produceren tegen aanvaardbare kosten.  Dit wordt echter nog onderzocht.

Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition (PE-CVD)

Er zijn een paar verschillende methoden om grafeen te produceren. Een van de meest gebruikelijke methoden voor de productie van eenlaags grafeen is Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition (PE-CVD). Bij deze methode wordt een mix van gassen - waarvan ten minste één gas koolstof bevat - verhit totdat zich een plasma heeft gevormd. In CVD-processen worden massflowmeters en -regelaars gebruikt om gassen en vloeistoffen nauwkeurig te doseren.

Bij PE-CVD vormt het plasma een grafeenlaag op een nikkel- of kopersubstraat. De verhitting vindt plaats in vacuüm, maar er kan ook een meer 'groen' chemisch dampdepositieproces worden gebruikt, waarbij de verhitting onder atmosferische druk plaatsvindt. Met Chemical Vapour Deposition kunnen grote vellen grafeen worden geproduceerd.


 

3D-model structure of Graphene
3D-model structuur van grafeen

In dit proces worden precursors gebruikt; stoffen die een gewenste chemische reactie op gang brengen. Sommige van de precursoren zijn vloeistoffen die eerst moeten worden verdampt om in gasvorm te worden gebruikt in het CVD-proces. Het is van groot belang dat het plasma met de juiste verhoudingen en precisie wordt aangemaakt. Dit kan worden bereikt door zeer nauwkeurige flowinstrumenten te gebruiken. Een afwijking in het plasma kan defecten in de grafeenlaag veroorzaken. Defecten kunnen onzuiverheden in de 2D-structuur zijn die de unieke eigenschappen van het materiaal kunnen veranderen.


Onderzoek naar hoogwaardig grafeen

Onlangs heeft Iberfluid Instruments S.A., onze Spaanse distributeur, samengewerkt met de Universiteit van Cordoba aan een onderzoek over de mogelijkheden voor grootschalige productie van grafeen door gebruik te maken van een op plasma gebaseerde techniek met atmosferische druk. Hierbij werd ethanol verdampt door middel van een Bronkhorst verdampingssysteem, het zogenaamde Controlled Evaporation and Mixing (CEM) systeem voor de vorming van plasma. 

Bij gebruik van een verdampingssysteem worden vloeistoffen direct verdampt om zo het juiste gas voor het plasma te creëren. Een mogelijke samenstelling van een verdampingssysteem kan bestaan uit een Bronkhorst Controlled Evaporation and Mixing – CEM -  systeem met een vloeistofmeter (bijv. een Coriolis Mass flowmeter uit de serie mini CORI-FLOW) voor ethanol, een gasregelaar (bijv. EL-FLOW Mass flowregelaar) voor argon dat fungeert als een draaggas en een mixventiel met daaraan gekoppelde warmtewisselaar.

Lees onze application note
Bronkhorst CEM-Systeem gebruikt voor het onderzoek van de Universiteit van Cordoba
Bronkhorst CEM-Systeem gebruikt voor het onderzoek van de Universiteit van Cordoba

Een verdampingssyteem zoals het Bronkhorst CEM-systeem kan goede prestaties leveren op gebied van stabiliteit en nauwkeurigheid. Deze eigenschappen zorgen voor een betrouwbare totstandkoming van het plasma en leidt uiteindelijk tot een hogere kwaliteit grafeen.

In het onderzoeksdocument Scalable graphene production from ethanol decomposition by microwave argon plasma torch, staat beschreven waarom de Universiteit van Cordoba (ES) het Bronkhorst Controlled Evaporation and Mixing systeem toepast in een PE-CVD grafeen productieproces.

Applicaties voor grafeen

Door de vele bijzondere eigenschappen is men bezig met onderzoek in een groot aantal toepassingen. Hierbij wordt vooral gekeken naar enkellaags- en dubbellaags grafeen. Vooralsnog lijkt het erop dat enkellaags grafeen de beste resultaten geeft. Ook wordt er gekeken naar het toepassen van flakes; dit zijn kleine stukjes grafeen die vermengd kunnen worden met ander materiaal, zoals polymeren. De eigenschappen van deze materialen kunnen door toevoeging van graphene flakes verbeterd worden. 

  • Waterzuivering: Wetenschappers zijn op dit moment bezig met het maken van een geavanceerd filtersysteem gebaseerd op grafeenoxide dat ervoor moet zorgen dat vervuild water drinkbaar wordt. 
  • Medische industrie: Aangezien grafeen niet giftig voor het lichaam is, doet men onderzoek naar de mogelijkheden om grafeen in te zetten bij medicijntransport in het lichaam, waarbij het medicijn wordt vastgemaakt aan het grafeen. Grafeen heeft ook als eigenschap bacterievorming te voorkomen waardoor het ook gebruikt kan worden als coating voor implantaten.

  • Energie industrie: Vanwege het grote oppervlak en de goede elektrische geleiding zou grafeen gebruikt kunnen worden voor energie opslag. Het doel hierbij is om grafeen batterijen vele malen compacter te maken dan nu het geval is, terwijl ze over meer capaciteit beschikken en binnen enkele seconden volledig opgeladen zouden zijn. 
  • Textiel industrie: Grafeen zou gebruikt kunnen worden om elektronica in textiel te verwerken zoals effectieve, efficiënte en zeer nauwkeurige sensoren. Verder kunnen met grafeen anti-corrosie coatings en geleidende inkten worden gemaakt.
  • Semiconductor industrie: Door de goede elektrische- en thermische geleiding biedt grafeen mogelijkheden om de snelheid en capaciteit van chips (voor computers en smartphones) te vergroten.

 

Toepassing voor grafeen: textielindustrie
Toepassing voor grafeen: textielindustrie

Wilt u meer informatie over grafeen?

Lees onze application note over de gebruikte opstelling aan de Universiteit van Cordoba of vraag advies aan onze flow specialisten over de toegepaste instrumenten. 

Vraag advies Lees de application note