Hur Framställs Grafen?

Hyllad som framtidens 2D-mirakelmaterial har grafen anmärkningsvärda tillämpningar. Grafen är i huvudsak ett enatoms tjockt grafitskikt, tillverkat av elementärt kol. Grafens unika egenskaper beror på arrangemanget av kolatomer i det, som är tätt packade och ordnade efter ett tvådimensionellt hexagonalt mönster som kallas en bensenring.

Tidigare ansågs det vara för dyrt att tillverka grafen. Nu kan fysiker från Kansas State University ha hittat ett sätt att massproducera grafen billigt, och allt som krävs är tre enkla steg och använder bara tre enkla material: kolvätegas, syre och ett tändstift.

”Vi har upptäckt en livskraftig process för att göra grafen,” sa Sorensen. ”Vår process har många positiva egenskaper, från den ekonomiska genomförbarheten, möjligheten till storskalig produktion och bristen på otäcka kemikalier. Det som kan vara den bästa egenskapen av alla är att energin som krävs för att göra ett gram grafen genom vår process är mycket mindre än andra processer eftersom allt som krävs är en enda gnista.”Bortsett från detta producerar Sorensens metod grafen i bulk, så att säga.

”Den verkliga charmen med vårt experiment är att vi kan producera grafen i mängden gram snarare än milligram,” sa forskaren Arjun Nepal. Metoden upptäcktes av misstag när grafen producerades som en oavsiktlig biprodukt under lagets arbete med kolsot aerosolgeler.

Många användningsområden av grafen

Som nämnts ovan gav grafens unika kolatomarrangemang detta mirakelmaterial dess superkrafter, så att säga. Den är supersmidig samtidigt som den är styvare än diamant. Det är också en supraledare, som kan låta elektriciteten flöda snabbare än något annat känt ämne. Den leder också värme mycket bra, cirka 10 gånger bättre än koppar. Grafen har också visat hög biokompatibilitet och kan absorbera 2,3 procent av vitt ljus. Och, till råga på det, är grafen otroligt hållbart.

Med alla dessa egenskaper har grafen hittat sin väg in i en mängd forskning som utforskar möjliga tillämpningar. Dessa sträcker sig från elektronik till konsumentprylar, till medicin och biomekanik. En populär applikation är inom elektronik. Till exempel finns det grafenklistermärken som kan förbättra smartphones batteritid. Det finns också en grafenbaserad textil som kan vara framtiden för bärbar teknik. Och så klart böjbara skärmar.

Grafens medicinska tillämpningar är lika anmärkningsvärda. Man har till exempel kunnat använda grafen i en hjärtmonitor. Dess biokompatibilitet har gjort grafen till ett säkert material för hjärnelektroder. Dessutom kan en grafenelastomer revolutionera robotik och proteser.

Grafen har framstått som ett av de mest lovande nanomaterialen på grund av dess unika kombination av exceptionella egenskaper: det är inte bara det tunnaste utan också ett av de starkaste materialen; den leder värme bättre än alla andra material; det är en utmärkt ledare av elektricitet; den är optiskt transparent, men ändå så tät att den är ogenomtränglig för gaser – inte ens helium, den minsta gasatomen, kan passera genom den.

Grafens unika kombination av extraordinära egenskaper erbjuder en fascinerande materialplattform för utveckling av nästa generations teknologier inom många områden – bärbar och supersnabb elektronik, ultrakänsliga sensorer, multifunktionella kompositer och beläggningar, membran, medicin och bioteknik, energiskörd och lagring.

Sedan den första demonstrationen 2004 har grafenforskningen utvecklats till ett stort område med cirka 10 000 vetenskapliga artiklar som nu publiceras varje år om ett brett spektrum av ämnen.

Vad är grafen?

Grafen är namnet på ett enkelt lager (enskikts) ark av kolatomer som är sammanbundna i ett upprepat mönster av hexagoner. Detta ark är bara en atom tjockt. Monolager av grafen staplade ovanpå varandra bildar grafit. Eftersom en typisk kolatom har en diameter på cirka 0,33 nanometer, finns det cirka 3 miljoner lager av grafen i ett 1 mm tjockt ark grafit.

I vetenskapliga termer: De extraordinära egenskaperna hos grafen härrör från 2p-orbitalerna, som bildar π-tillståndsbanden som delokaliseras över arket av kol som utgör grafen.

Hårdare än diamant men ändå mer elastisk än gummi; segare än stål men ändå lättare än aluminium – grafen är det starkaste kända materialet.

För att sätta detta i perspektiv: om ett ark bakplåtspapper hade samma styrka som ett orördt enda lager grafen, skulle det kräva kraften som utövas av en massa på 2 000 kg, eller en stor bil, för att punktera det med en penna.

Tack vare den unika strukturen hos grafen har den andra fantastiska egenskaper: Dess höga elektronrörlighet är 100 gånger snabbare än kisel; den leder värme 2x bättre än diamant; dess elektriska ledningsförmåga är 13 gånger bättre än koppar; den absorberar endast 2,3 % av det reflekterande ljuset; den är ogenomtränglig så att inte ens den minsta atomen (helium) kan passera genom ett defektfritt enskiktsgrafenark; och dess höga yta på 2 630 kvadratmeter per gram betyder att du med mindre än 3 gram kan täcka en hel fotbollsplan (ja, praktiskt taget skulle du behöva 6 gram, eftersom 2 630 m2/g är ytan för båda sidor av en grafenark).

Grafen representerar en konceptuellt ny klass av material som bara är en atom tjocka, så kallade tvådimensionella (2D) material (de kallas 2D eftersom de sträcker sig i endast två dimensioner: längd och bredd; eftersom materialet bara är en atom tjockt , den tredje dimensionen, höjd, anses vara noll). Och det är bara i detta enstaka eller få-lagers tillstånd som grafens fantastiska egenskaper visas.

Hur man framställer grafen

Kommersiella grafenproducenter använder olika vägar för grafenproduktion. Bottom-up-metoder förlitar sig mest på kemisk ångfasdeposition (CVD) av kolrika föreningar för att bilda 2D-skivor av kol. Den erhållna kvaliteten på grafen nerifrån och upp är vanligtvis hög. Tyvärr är dessa metoder inte lätt skalbara och dyra.
Däremot är top-down-metoder mycket billigare och mer skalbara tekniker. Många syntesvägar i större skala involverar mellansteg av grafenoxid (GO) exfoliering och efterföljande reduktion till reducerad grafenoxid (rGO). Ändå kommer de goda resultaten som uppnås när det gäller avkastning på bekostnad av kvalitet och konsekvens.
De vanligaste tillgängliga teknikerna för framställning av grafen inkluderar mikromekanisk klyvning, CVD, epitaxiell tillväxt på kiselkarbidsubstrat (SiC), kemisk reduktion av exfolierad grafenoxid, flytande fasexfoliering (LPE) av grafit och avdragning av kolnanorör.
Var och en av dessa metoder kan dock ha sina egna fördelar såväl som begränsningar beroende på dess målapplikation(er). För att övervinna dessa barriärer i kommersialiseringen av grafen, görs samordnade ansträngningar av forskare vid olika FoU-institut, universitet och företag från hela världen för att utveckla nya metoder för storskalig produktion av låg kostnad och högkvalitativ grafen via enkla och miljövänliga tillvägagångssätt.
Redan har forskare lyckats producera stora, enkristallliknande grafenfilmer som är mer än en fot långa på praktiskt taget vilken plan yta som helst – ett steg mot kommersialisering.

LPE

Bland de etablerade metoderna för kommersiell grafenframställning är LPE av grafit en av de metoder som används mest. Mekanismen bakom LPE är baserad på det faktum att grafit är ett skiktat material och i huvudsak kan ses som individuella grafenkristaller staplade ovanpå varandra.

LPE-processen går ut på att mala grafit till ett pulver och separera partiklarna till små flingor genom att applicera mekaniska krafter i en vätska. De grafenhaltiga flingorna separeras sedan från det återstående materialet.

LPE schematisk process. I den kemiska reaktorn av LPE flyter de lättare produkterna såsom staplar med mycket få lager till toppen av lösningen medan de tyngre produkterna som grafit förblir i botten av reaktorn (det finns många praktiska sätt att uppnå det, inklusive gravimetriska centrifugering, etc). Det är möjligt att extrahera varje produkt och upprepa processen flera gånger för att få högre koncentration av monolager men detta påverkar naturligtvis kostnaden.

Flash Joule Uppvärmning

Flash Joule Heating (FJH) – med hjälp av en elektrisk laddning för att dramatiskt höja ett material temperatur till mer än 3000 K – har varit känt i litteraturen i många decennier men har nyligen tillämpats på syntesen av grafen och andra 2D-material.

År 2020 användes FJH för att syntetisera gram-skala kvantiteter av grafen från en mängd olika råvaror inklusive kimrök, kol, petroleumkoks, avfallsmat och plast.

Till exempel resulterar FJH i förkolning av blandat plastavfall och möjliggör direkt omvandling av plastavfall till grafen, utan någon mellanliggande pyrolysbehandling. Eftersom den nödvändiga värmen alstras på plats finns det inget behov av ugnar eller ineffektiv värmeöverföring.

Utmaningarna med att framställa grafen

Grafen har ett stort antal potentiella tillämpningar, men forskning och kommersiella tillämpningar undergrävs av den dåliga eller okända kvaliteten på mycket av det tillgängliga materialet (läs mer i vår artikel ”Akta dig för falsk grafen”).

Kvaliteten på grafen spelar en avgörande roll eftersom förekomsten av defekter, föroreningar, korngränser, flera domäner, strukturella störningar, rynkor i grafenarket kan ha en negativ effekt på dess elektroniska och optiska egenskaper.

I elektroniska applikationer är den största flaskhalsen kravet på stora prover, vilket endast är möjligt i fallet med CVD-process, men det är svårt att producera högkvalitativa och enkristallina grafenfilmer som har mycket höga elektriska och termiska konduktiviteter tillsammans med utmärkta optisk transparens.

En annan fråga av oro vid syntesen av grafen med konventionella metoder involverar användningen av giftiga kemikalier och dessa metoder resulterar vanligtvis i generering av farligt avfall och giftiga gaser. Därför finns det ett behov av att utveckla gröna metoder för att producera grafen genom att följa miljövänliga tillvägagångssätt.

Förberedelsemetoderna för grafen bör också möjliggöra tillverkning och integration av grafenbaserade enheter med komplex arkitektur som skulle möjliggöra eliminering av flerstegs och mödosamma tillverkningsmetoder till en lägre produktionskostnad

Lämna ett svar

Läs även...