Elektrizität verwandelt Müll in Graphen
Die Wissenschaft orientiert sich normalerweise nicht an Märchen. Aber Rumpelstilzchen, der magische Kobold, der Stroh zu Gold gesponnen hat, wäre beeindruckt von diesem neuesten Beispiel chemischer Zauberei. Forscher der Rice University berichten in Nature, dass sie praktisch jede Quelle von festem Kohlenstoff, von Lebensmittelresten bis hin zu alten Autoreifen, in Graphen verwandeln können - Schichten von Kohlenstoffatomen, die für Anwendungen von hochfestem Kunststoff bis hin zu flexibler Elektronik geschätzt werden.
Mit den derzeitigen Techniken lassen sich winzige Mengen an bildgenauem Graphen oder bis zu Tonnen weniger wertvoller Graphenbrocken herstellen; die neue Methode produziert bereits im Labor nahezu makelloses Graphen in Gramm pro Tag, und die Forscher sind nun dabei, es auf Kilogramm pro Tag zu skalieren.
"Diese Arbeit ist aus wissenschaftlicher und praktischer Sicht bahnbrechend", da sie verspricht, Graphen billig genug zu machen, um es zur Verstärkung von Asphalt oder Farbe zu verwenden, sagt Ray Baughman, ein Chemiker an der Universität von Texas, Dallas. "Ich wünschte, ich hätte daran gedacht." Die Forscher haben bereits ein neues Startup-Unternehmen, Universal Matter, gegründet, um ihren "Waste-to-Graphene"-Prozess zu kommerzialisieren.
Mit atomdünnen Schichten von Kohlenstoffatomen, die wie Hühnerdraht angeordnet sind, ist Graphen stärker als Stahl, leitet Strom und Wärme besser als Kupfer und kann als undurchlässige Barriere dienen, die das Rosten von Metallen verhindert. Doch seit seiner Entdeckung im Jahr 2004 ist die Herstellung und Reinigung von hochwertigem Graphen - entweder in Form von einzelnen Blättern oder nur einigen wenigen gestapelten Schichten - im industriellen Maßstab immer noch teuer. Das ist kein Problem bei der Herstellung von kleinen Bauteilen wie Hochgeschwindigkeitstransistoren und effizienten Leuchtdioden. Aber die derzeitigen Techniken, bei denen Graphen durch Aufdampfen hergestellt wird, sind für viele Großserienanwendungen zu kostspielig. Und Ansätze mit höherem Durchsatz, wie das Schälen von Graphen aus Brocken des Mineralgraphits, erzeugen Flecken, die aus bis zu 50 Graphenschichten bestehen, die für die meisten Anwendungen nicht ideal sind.
Graphen gibt es in vielen Formen. Einzelne Schichten, die sich ideal für die Elektronik und Optik eignen, können mit einer Methode namens chemische Dampfabscheidung gezüchtet werden. Dabei werden jedoch nur winzige Mengen produziert. Für große Mengen verwenden die Unternehmen üblicherweise eine Technik, die als Flüssigkeits-Peeling bezeichnet wird. Sie beginnen mit Graphitbrocken, die nur aus unzähligen gestapelten Graphenschichten bestehen. Dann verwenden sie Säuren und Lösungsmittel sowie mechanisches Schleifen, um die Flocken abzuscheren. Bei diesem Verfahren werden in der Regel winzige Plättchen erzeugt, die jeweils aus 20 bis 50 Graphenschichten bestehen.
Im Jahr 2014 fanden James Tour, ein Chemiker bei Rice, und seine Kollegen heraus, dass sie eine reine Form von Graphen herstellen können - jedes Stück nur wenige Schichten dick -, indem sie mit einem Laser eine Form von amorphem Kohlenstoff namens Carbon Black zappen. Kurze Pulse erhitzten den Kohlenstoff auf mehr als 3000 Kelvin, wodurch die Bindungen zwischen den Kohlenstoffatomen gebrochen wurden. Als die Kohlenstoffwolke abkühlte, verband sie sich zu der stabilsten Struktur, die möglich ist, nämlich Graphen. Aber der Ansatz produzierte immer noch nur winzige Qualitäten und benötigte viel Energie.
Vor zwei Jahren las Luong Xuan Duy, einer von Tour's Doktoranden, dass andere Forscher Metallnanopartikel geschaffen hatten, indem sie ein Material mit Elektrizität zappten und so den gleichen kurzen Hitzeschlag erzeugten, der dem Erfolg des Laser-Graphen-Ansatzes zugrunde lag. "Ich fragte mich, ob ich damit eine Kohlenstoffquelle erhitzen und Graphen herstellen könnte", sagt Duy. Also gab er einen Spritzer Ruß in ein klares Glasfläschchen und zappte es mit 400 Volt für etwa 200 Millisekunden. Zuerst bekam er Schrott. Aber nach einer kleinen Korrektur schaffte er es, einen hellen, gelblich-weißen Blitz zu erzeugen, der anzeigt, dass die Temperatur im Inneren des Fläschchens etwa 3000 Kelvin erreichte. Chemische Tests ergaben, dass er Graphen produziert hatte.
Es stellte sich heraus, dass es sich dabei um eine Art von Graphen handelt, die sich ideal für Massenanwendungen eignet. Da die Kohlenstoffatome zu Graphen kondensieren, haben sie nicht die Zeit, sich in einem regelmäßigen Muster zu stapeln, wie es bei Graphit der Fall ist. Das Ergebnis ist ein Material, das als turbostatisches Graphen bekannt ist, bei dem die Graphenschichten in allen Winkeln durcheinander gewürfelt sind. "Das ist eine gute Sache", sagt Duy. Wenn es in Wasser oder andere Lösungsmittel gegeben wird, bleibt das turbostatische Graphen in der Schwebe, anstatt zu verklumpen, so dass jeder Fleck des Materials mit dem Verbundmaterial, dem es hinzugefügt wird, interagieren kann.
"Das macht es zu einem sehr guten Material für Anwendungen", sagt Monica Craciun, Materialphysikerin an der Universität Exeter. Im Jahr 2018 berichteten sie und ihre Kollegen, dass die Zugabe von Graphen zum Beton dessen Druckfestigkeit mehr als verdoppelt hat. Das Team von Tour sah das gleiche Ergebnis. Als sie dem Beton nur 0,05 Gew.-% ihres blitzblank produzierten Graphens hinzufügten, stieg die Druckfestigkeit um 25 %; Graphen, das dem Polydimethylsiloxan, einem gewöhnlichen Kunststoff, hinzugefügt wurde, erhöhte seine Festigkeit um 250 %.
Diese Ergebnisse könnten die Bemühungen um die Verwendung von Graphen in einem breiten Spektrum von Verbundwerkstoffen neu entfachen. Forscher in Italien berichteten kürzlich, dass die Zugabe von Graphen zum Asphalt dessen Bruchneigung drastisch reduziert und seine Lebensdauer mehr als verdoppelt. Im vergangenen Jahr begann das italienische Unternehmen Iterchimica in Mailand mit der Erprobung einer 250 Meter langen Straße, die mit Graphen-Asphalt gepflastert ist. Tests an anderen Orten haben gezeigt, dass die Zugabe von Graphen zum Anstrich die Korrosionsbeständigkeit dramatisch verbessert.
Diese Anwendungen würden tonnenweise hochwertiges Graphen erfordern. Glücklicherweise könnte der Ausgangspunkt für Flash-Graphen kaum billiger oder reichlicher sein: Praktisch jede organische Substanz, einschließlich Kaffeesatz, Lebensmittelreste, alte Reifen und Plastikflaschen, kann verdampft werden, um das Material herzustellen. "Wir verwandeln Müll in Graphen", sagt Duy.
Quelle: https://www.sciencemag.org/news/2020/01/electricity-turns-garbage-graphene
Originalartikel: https://www.nature.com/articles/s41586-020-1938-0