Grafeen wordt sinds zijn ontdekking beschouwd als een wonderbaarlijk materiaal omdat het een paar uitstekende eigenschappen combineert. Het is dun en licht en tegelijktijd stabiel en plooibaarheid en heeft een hoog elektrisch geleidingsvermogen. Wetenschappers uit Oostenrijk hebben nu ontdekt dat grafeen heel goed gebruikt kan worden voor de ontwikkeling van ‘tanks’ die grote hoeveelheden waterstof kunnen opslaan. Grafeen is een modificatie van koolstof en heeft een tweedimensionale structuur.
Waterstofatomen kunnen tijdelijk op het oppervlak worden opgeslagen en vervolgens worden gebruikt voor diverse processen. Om de grootst mogelijke hoeveelheden waterstof te kunnen opslaan, zijn ook grote oppervlakken nodig. Alleen als er een zo groot mogelijk actief oppervlak is in een beperkt volume kunnen de eigenschappen van de grafeenlaag optimaal worden benut. Om echter veel oppervlakte in een compacte vorm te verkrijgen, moet grafeen worden getransformeerd van een gebruikelijke tweedimensionale ordening op een substraatoppervlak in een driedimensionale structuur.
Dit was een uitdaging waarmee Dr. Stefan Heun van het Istituto Nanoscienze in Pisa werd geconfronteerd. De instelling is onderdeel van het Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR), de Italiaanse wetenschapsraad. Om economisch relevant te zijn, moet een ‘tank’ ten minste vijf kilogram waterstof kunnen opslaan. Hij mag niet meer wegen dan 100 kg en een volume hebben van 100 liter. Om een dergelijke hoeveelheid waterstof op te slaan, is meer dan 10 km2 grafeen nodig. Een driedimensionale rangschikking van grafeen is dus onvermijdelijk.
Ook interessant: Grafeen winnen uit voedselafval
Poreuze structuur
Heun vond de relevante expertise bij het Instituut voor Sensor- en Actuatorsystemen van de Technische Universiteit van Wenen. De groep van professor Ulrich Schmid doet hier al jaren onderzoek naar procédés die het mogelijk maken uiterst fijne, poreuze structuren op gecontroleerde wijze in dichte materialen te integreren. Dit komt doordat veel verschillende materiaaleigenschappen over een groot bereik kunnen worden beïnvloed met gerichte controle van de porositeit.
De onderzoeksgroep is erin geslaagd een elektrochemisch proces te ontwikkelen dat het mogelijk maakt minuscule gaatjes en kanaaltjes te etsen in bepaalde materialen, zoals de halfgeleider siliciumcarbide. Het proces bestaat uit verschillende stappen waarbij zeer specifieke oplosmiddelen, elektrische stroom en UV-straling worden gebruikt.
Doelgericht
Stefano Veronesi, een lid van Heuns onderzoeksgroep aan het Istituto Nanoscienze legt uit hoe de opslag van waterstof werkt. “Grafeen kan zowel moleculaire als elementaire waterstof aan het oppervlak binden (opslaan). Bij kamertemperatuur bindt alleen elementaire waterstof zich zeer goed aan grafeen. Moleculaire waterstof daarentegen vormt slechts een zeer zwakke verbinding met het grafeenoppervlak. Door gerichte functionalisering (“enting”) van het grafeenoppervlak, kan het ‘opslagvermogen’ van het grafeenoppervlak aanzienlijk worden vergroot, zelfs bij kamertemperatuur. Hoeveel waterstof kan worden opgeslagen, wordt bepaald door het beschikbare grafeenoppervlak. Hoe meer grafeen, hoe meer waterstof kan worden opgeslagen.”
Er zijn verschillende manieren om grafeen te produceren. In het onderzoeksconsortium met het Istituto Nanoscienze en de Universiteit van Antwerpen werkte het team van de Weense universiteit met siliciumcarbide (SiC); een kristal van silicium en koolstof. Het doel van het onderzoek was aan te tonen dat het mogelijk is het tweedimensionale materiaal grafeen te creëren op een driedimensionaal substraat. Daartoe werd siliciumcarbide doelgericht poreus gemaakt en werd het oppervlak ervan vervolgens omgezet in grafeen.
Carborundum
Als het oppervlak van carborundum of siliciumcarbide wordt verhit bij hoge temperaturen en ultra-lage omgevingsdruk, verdampt het silicium en blijft de koolstof over. Om vervolgens een grafeenlaag op een 3D-oppervlak te verkrijgen, ontwikkelden de onderzoekers een elektrochemisch etsproces dat het vaste siliciumcarbide verandert in de gewenste poreuze nanostructuur. Dit proces verwijdert ongeveer 42 procent van het volume. De overblijvende nanostructuur werd vervolgens in hoog vacuüm verhit door de onderzoekers in Pisa om de vorming van grafeen aan het oppervlak op gang te brengen.
Baanbrekend
De uitkomst van het experiment werd onderzocht door deskundigen van het Instituut voor Elektronenmicroscopie voor Materiaalwetenschappen (EMAT) van de Universiteit Antwerpen. Daar werd aangetoond dat zich op het ingewikkeld gevormde oppervlak van de 3D-nanostructuur in feite een groot aantal grafeenpartikels had gevormd. Dit was het bewijs dat grafeen ook in een 3D-structuur kan worden geproduceerd.
Deze vondst is baanbrekend voor de ontwikkeling van een waterstof-‘tank’ die enkele kilo’s waterstof kan opslaan bij lage druk en bij kamertemperatuur. Gefunctionaliseerd grafeen is veelbelovend voor deze toepassing, aldus professor Schmid (TU Wien). Een ander toepassingsgebied voor grote grafeenoppervlakken zijn chemische sensoren die bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt om zeldzame bestanddelen van gassen te detecteren.
“Wanneer gasmoleculen zich vastzetten op het oppervlak van op grafeen gebaseerde gassensoren, detecteren ze de veranderingen in de elektrische geleidbaarheid van de grafeenlaag. Afhankelijk van het gasmolecuul doneert het vervolgens elektronen aan de grafeenlaag (donor) of accepteert het elektronen van de grafeenlaag (acceptor). Deze uitwisseling van elektronen verandert het geleidingsvermogen van de grafeenlaag.
Dankzij de ultradunne grafeenlaag is dit meetprincipe uiterst gevoelig en maakt het de detectie van afzonderlijke moleculen mogelijk, legt Dr. Georg Pfusterschmied uit. Hij is lid van de onderzoeksgroep van Schmid en co-auteur van de studie. Gassensoren worden in diverse industrieën gebruikt. Voorbeelden zijn branddetectie, lokalisatie van lekken, emissiemeting, detectie van onder andere explosieven en giftig gas, en bepaling van de luchtkwaliteit binnenshuis.
Foto: De preparatiekamer van de elektronenmicroscoop waar het grafeen wordt geproduceerd.
Illustratie: schematische voorstelling waarbij het geel de poreuze structuur aanduidt. De zwarte zeshoekige roosters tonen de vorming van grafeen aan het poreuze oppervlak.
Ook interessant: Nauwkeurige perforatie van materiaallagen door nieuwe techniek
Publicatie: S. Veronesi et al., 3D arrangement of epitaxial graphene conformally grown on porousified crystalline SiC, Carbon 189, 210 (2022). https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S000862232101201X?via%3Dihub
