Het koolstofmateriaal grafeen heeft geen goed gedefinieerde dikte; het bestaat slechts uit één enkele laag atomen. Het wordt daarom vaak een "tweedimensionaal materiaal" genoemd. Er een driedimensionale structuur van proberen te maken klinkt in eerste instantie misschien tegenstrijdig, maar het is een belangrijk doel:om de eigenschappen van de grafeenlaag het beste te benutten, moet zoveel mogelijk actief oppervlak worden geïntegreerd binnen een beperkt volume.

De beste manier om dit doel te bereiken is door grafeen te produceren op complexe vertakte nanostructuren. Dat is precies wat een samenwerking tussen CNR Nano in Pisa, TU Wien (Wenen) en de Universiteit Antwerpen nu heeft bereikt. Dit kan bijvoorbeeld helpen om de opslagcapaciteit per volume voor waterstof te vergroten of om chemische sensoren te bouwen met een hogere gevoeligheid.

Van vast tot poreus

In de groep van prof.dr. Ulrich Schmid (Instituut voor Sensor- en Actuatorsystemen, TU Wien) wordt al jaren onderzocht hoe vaste materialen zoals siliciumcarbide op een nauwkeurig gecontroleerde manier om te zetten in uiterst fijne, poreuze structuren. "Als je de porositeit kunt beheersen, kunnen daardoor veel verschillende materiaaleigenschappen worden beïnvloed", legt Georg Pfusterschmied, een van de auteurs van het huidige artikel, uit.

De technologische procedures die nodig zijn om dit doel te bereiken, zijn uitdagend:"Het is een elektrochemisch proces dat uit verschillende stappen bestaat", zegt Markus Leitgeb, een chemicus die ook werkt in de onderzoeksgroep van Ulrich Schmid aan de TU Wien. "We werken met zeer specifieke etsoplossingen en passen elektrische stroomkarakteristieken op maat toe in combinatie met UV-straling." Dit maakt het mogelijk om kleine gaatjes en kanalen in bepaalde materialen te etsen.

Vanwege deze expertise in het realiseren van poreuze structuren, wendde het team van Stefan Heun van het Nanoscience Institute van de Italiaanse National Research Council CNR zich tot hun collega's van de TU Wien. Het team van Pisa was op zoek naar een methode om grafeenoppervlakken te produceren in vertakte nanostructuren om grotere grafeenoppervlakken mogelijk te maken. En de technologie die aan de TU Wien is ontwikkeld, is perfect geschikt voor deze taak.

"Het uitgangsmateriaal is siliciumcarbide - een kristal van silicium en koolstof", zegt Stefano Veronesi die de grafeengroei uitvoerde bij CNR Nano in Pisa. "Als je dit materiaal verwarmt, verdampt het silicium, blijft de koolstof achter en als je het goed doet, kan het een grafeenlaag vormen op het oppervlak."

Aan de TU Wien is daarom een ​​elektrochemisch etsproces ontwikkeld dat vast siliciumcarbide omzet in de gewenste poreuze nanostructuur. Bij dit proces wordt ongeveer 42% van het volume verwijderd. De resterende nanostructuur werd vervolgens in hoog vacuüm in Pisa verwarmd, zodat grafeen op het oppervlak ontstond. Het resultaat werd vervolgens in Antwerpen tot in detail onderzocht. Dit onthulde het succes van het nieuwe proces:er vormt zich inderdaad een groot aantal grafeenvlokken op het ingewikkeld gevormde oppervlak van de 3D-nanostructuur.

Veel oppervlakte in een compacte vorm

"Hierdoor kunnen we de voordelen van grafeen veel effectiever benutten", zegt Ulrich Schmid. "De oorspronkelijke motivatie voor het onderzoeksproject was om waterstof op te slaan:je kunt waterstofatomen tijdelijk opslaan op grafeenoppervlakken en ze vervolgens gebruiken voor verschillende processen. Hoe groter het oppervlak, hoe groter de hoeveelheid waterstof die je kunt opslaan." Maar er zijn ook veel andere ideeën om dergelijke 3D-grafeenstructuren te gebruiken. Een groot oppervlak is ook een beslissend voordeel bij chemische sensoren, die bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt om zeldzame stoffen in gassen te detecteren.

Het onderzoek is gepubliceerd in Carbon . + Verder verkennen

Atomen gebruiken tunnels om aan grafeenbedekking te ontsnappen