Umeå-onderzoekers laten zien hoe geactiveerd grafeen, geactiveerde koolstoffen en andere hydrofobe koolstoffen kunnen in water worden gedispergeerd in de vorm van deeltjes ter grootte van een micrometer. Het belangrijkste middel dat ervoor zorgt dat deze dispersies dagenlang meegaan, is de geoxideerde vorm van grafeen, grafeenoxide genaamd. De auteurs hebben octrooi aangevraagd op de methode om dispersies te bereiden.

grafeen, grafiet, actieve kool zijn heel verschillende vormen van koolstof, maar wat ze gemeen hebben, zijn hun hydrofobe eigenschappen. Het is onmogelijk om deze materialen direct in water op te lossen of te dispergeren. Anderzijds, het gebruik van dispersies of oplossingen voor veel toepassingen is een groot voordeel. Ideaal, men kan grafeendispersie op metaalfolie spuiten of schilderen en b.v. elektrodemateriaal door eenvoudig te drogen.

Wetenschappers zijn al jaren op zoek naar goede methoden om dispersies te maken met aan grafeen gerelateerde materialen. De meest gebruikelijke methode die tot nu toe beschikbaar is, is het gebruik van organische oplosmiddelen en een zeer sterke mechanische behandeling, bijv. ultrasoonapparaat voor lange tijd. Echter, organische oplosmiddelen zijn vaak giftig, terwijl mechanische behandeling niet alleen tijd en energie kost, maar ook veel defecten met zich meebrengt, die de geleidbaarheid van de grafeenplaten nadelig beïnvloeden.

Onderzoekers van de Universiteit van Umeå hebben een eenvoudige en milieuvriendelijke oplossing voor het probleem gevonden:geoxideerde vorm van grafeen, grafeen oxide, is hydrofiel en gemakkelijk te dispergeren in water.

"Wat we ontdekten, is dat stabiele waterdispersies kunnen worden bereid door een bepaalde hoeveelheid grafeenoxide toe te voegen aan verschillende hydrofobe koolstoffen, " zegt Alexandr Talyzin, Universitair hoofddocent bij de afdeling Natuurkunde aan de Universiteit van Umeå.

Zijn team van natuurkundigen testte de methode met koolstoffen met een groot oppervlak, zoals grafeen, geactiveerd grafeen, poreuze of actieve kool. De dispersies waren stabiel en sloegen niet neer, zelfs niet na dagen opslag op de plank. Toen ze wat koolstofnanobuisjes aan de dispersie toevoegden, het bleek redelijk goed te zijn voor de voorbereiding van supercondensatorelektroden. De dispersie werd aangebracht op metaalfolie, gedroogd en verwarmd tot 200°C. Al deze stappen kunnen gemakkelijk schaalbaar zijn in industriële productie, suggereert de onderzoeker.

"Wat we uiteindelijk krijgen, is een dunne film van geleidend elektrodemateriaal met een vrij groot oppervlak, goede geleidbaarheid en uitstekende prestaties bij de opslag van elektriciteit in supercondensatoren. Het grote oppervlak wordt geleverd door de micrometergrote deeltjes van b.v. geactiveerd grafeen, terwijl nanobuisjes en thermisch gereduceerd grafeenoxide zorgen voor goed elektrisch contact tussen de deeltjes, ' zegt Alexandr Talyzin.

De dispersies kunnen ook nuttig zijn in veel andere toepassingen zoals inkten voor afdrukken, Beschermende coatings, en geleidende verven.

Het onderzoek wordt gefinancierd door het EU Graphene Flagship, een enorm internationaal project gericht op het op de markt brengen van grafeen. Onderzoekers hebben ook veel steun gekregen van de Universiteit van Umeå. Ook de methode voor de bereiding van geactiveerde grafeendispersies blijkt de moeite waard om te patenteren.

"Het ging verrassend soepel en snel toen ik contact opnam met Innovation Office van Umeå University. We kregen in korte tijd enorm veel hulp dankzij experts zoals Daniel Hoffman en zijn collega's. Terwijl het wetenschappelijke artikel werd beoordeeld, we hebben de aanvraag voor een octrooi kunnen afronden."

De studie is gepubliceerd in Journal of Physical Chemistry Letters .