Een onderzoeksteam onder leiding van de National University of Singapore (NUS) heeft een economisch en industrieel haalbare strategie ontwikkeld om grafeen te produceren. De nieuwe techniek pakt de al lang bestaande uitdaging aan van een efficiënt proces voor grootschalige productie van grafeen, en maakt de weg vrij voor een duurzame synthese van het materiaal.

Grafeen is een tweedimensionaal materiaal met een honingraatstructuur van slechts één atoom dik. Nagesynchroniseerd als het materiaal van de toekomst, grafeen vertoont unieke elektronische eigenschappen die mogelijk kunnen worden gebruikt voor een breed scala aan toepassingen, zoals aanraakschermen, geleidende inkten en snelladende batterijen. De moeilijkheid om op grote schaal betaalbaar grafeen van hoge kwaliteit te produceren, echter, blijft een belemmering vormen voor de wijdverbreide acceptatie ervan door industrieën.

De conventionele methode om grafeen te produceren maakt gebruik van geluidsenergie of schuifkrachten om grafeenlagen van grafiet te exfoliëren, en het vervolgens dispergeren van de lagen in grote hoeveelheden organisch oplosmiddel. Omdat onvoldoende oplosmiddel ervoor zorgt dat de grafeenlagen zich opnieuw hechten aan grafiet, om één kilogram grafeen te produceren, is momenteel minstens één ton organisch oplosmiddel nodig, waardoor de methode duur en milieuonvriendelijk is.

Grafeen produceren met 50 keer minder oplosmiddel

Het door de NUS geleide ontwikkelingsonderzoeksteam, anderzijds, gebruikt tot 50 keer minder oplosmiddel. Dit wordt bereikt door voorbehandeld grafiet onder sterk alkalische omstandigheden te exfoliëren om flocculatie te veroorzaken, een proces waarbij de grafeenlagen continu samenklonteren om grafeenslurry te vormen zonder het volume van het oplosmiddel te vergroten. De methode introduceert ook elektrostatische afstotende krachten tussen de grafeenlagen en voorkomt dat ze zichzelf opnieuw hechten.

De resulterende grafeenslurry kan indien nodig gemakkelijk in monolagen worden gescheiden of maandenlang worden bewaard. De slurry kan ook rechtstreeks worden gebruikt om geleidende grafeen-aerogels in 3D te printen, een ultralicht sponsachtig materiaal dat kan worden gebruikt om olievlekken in de zee te verwijderen.

Professor Loh Kian Ping van de afdeling Scheikunde van de NUS Faculty of Science, die ook hoofd is van 2-D Materials Research bij het NUS Center for Advanced 2-D Materials, leidde het onderzoek. Hij zei, "We hebben met succes een unieke exfoliatiestrategie gedemonstreerd voor het bereiden van grafeen en zijn composieten van hoge kwaliteit. Onze techniek, die een hoge opbrengst aan kristallijn grafeen produceert in de vorm van een geconcentreerde slurry met een aanzienlijk kleiner volume oplosmiddel, is een aantrekkelijke oplossing voor industrieën om grootschalige synthese van dit veelbelovende materiaal op een kosteneffectieve en duurzame manier uit te voeren."