Grafeen, hoe kan dit op grote schaal geproduceerd worden?

Grafeen, hoe kan dit op grote schaal geproduceerd worden?

Gerhard Bauhuis
Cover Image

Vanuit de Europese Commissie is het ‘Graphene Flagship’ ontstaan, een onderzoeksinitiatief gecreëerd met als doel om voor 2020 de ontwikkeling van Grafeen concreet te maken, van laboratoria naar de (consumenten) markt.

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, gezien 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. Hierdoor beschikt enkellaags grafeen over de volgende eigenschappen:

  • 200 keer sterker dan staal
  • 1.000.000 keer dunner dan één menselijk haar
  • Het lichtste materiaal ter wereld (1 m² weegt ongeveer 0,77 milligram)
  • Flexibel
  • Transparant
  • Ondoordringbaar voor moleculen
  • Bijzonder goede elektrische geleiding en warmte geleiding

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.

Afbeeldingsomschrijving “3D model structure of graphene”

Productie van grafeen

Op dit moment lijkt er nog geen methode beschikbaar om grafeen op grote schaal tegen acceptabele kosten te produceren. Hier wordt nog onderzoek naar verricht.

Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition (PE-CVD)

Er zijn een aantal methoden om grafeen te produceren. Eén van de bekendste methoden die momenteel wordt gebruikt voor productie van enkellaags grafeen is Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition (PE-CVD). Bij deze methode wordt een mix van gassen, waarvan ten minste één gas (deels) uit koolstof bestaat, verhit, totdat er een plasma ontstaat. Massflowmeters en -controllers worden in CVD processen gebruikt om de benodigde gassen en vloeistoffen in de correcte verhoudingen in het proces te doseren.

In PE-CVD zorgt het plasma ervoor dat een laagje grafeen op een substraat van nikkel of koper wordt gedeponeerd. De verhitting kan plaats vinden in een vacuüm. Er zijn ook zogenoemde ‘groene’ CVD productiemethodes, hierbij vindt verhitting plaats onder atmosferische druk. Met behulp van Chemical Vapour Deposition kunnen grotere vellen grafeen geproduceerd worden.

In dit proces worden precursors gebruikt; stoffen die een gewenste chemische reactie op gang brengen. Deze precursors zijn vaak vloeibaar, waardoor verdamping noodzakelijk is om een gas te vormen dat in het CVD proces gebruikt kan worden.

Wanneer er gebruik wordt gemaakt van (Plasma Enhanced) Chemical Vapour Deposition, PE-CVD, is het cruciaal dat het plasma met de juiste verhoudingen en precisie wordt gecreëerd, dit wordt gedaan met behulp van zeer nauwkeurige flow instrumenten. Een afwijking in het plasma kan er namelijk voor zorgen dat er defecten ontstaan in de grafeenlaag. Defecten zijn onzuiverheden in de 2D structuur die de unieke eigenschappen van grafeen kunnen veranderen.

Grootschalige productie van grafeen door plasma gebaseerde technieken

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 ixventiel met daaraan gekoppelde warmtewisselaar.

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.

Afbeeldingsomschrijving

Bronkhorst CEM-Systeem gebruikt voor het onderzoek van de Universiteit van Cordoba

In het onderzoekdocument ‘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.

Toepassingsgebieden voor grafeen

Door de vele bijzondere eigenschappen is men bezig met onderzoek in een groot aantal toepassingsgebieden. 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.

Door de vele bijzondere eigenschappen van grafeen worden veel mogelijke toepassingen gezien in verschillende industrieën. Een aantal voorbeelden van toepassingen op basis van enkellaags grafeen:

  1. 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.

  2. 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.

  3. 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.

  4. 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.

  5. 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.

Wij blijven de ontwikkelingen van grafeen nauwlettend volgen. We houden u op de hoogte.

Download het applicatieverhaal m.b.t. de setup gebruikt bij de Universiteit van Cordoba.

Lees ook de gastblog van John S. Bulmer, wetenschapper aan de Universiteit van Cambridge, over het onderzoek naar de productie van Carbon Nanotubes.