Nachhaltigkeit - Ein Forschungskonsortium hat herausgefunden, wie Graphen in drei Dimensionen organisiert werden kann.Mit diesem neuartigen Verfahren könnten größere Mengen Wasserstoff gespeichert und empfindlichere Gassensoren entwickelt werden.Graphen gilt seit seiner Entdeckung als Wundermaterial, weil es mehrere herausragende Eigenschaften in sich vereint.Es ist dünn und leicht, dabei stabil und biegsam und hat zudem eine hohe elektrische Leitfähigkeit.Viele Anwendungen sind bereits möglich, viele müssen noch erforscht werden.Graphen ist auch vielversprechend für die Entwicklung von „Tanks“, die zur Speicherung größerer Mengen Wasserstoff verwendet werden können.Graphen ist eine Modifikation von Kohlenstoff und hat eine zweidimensionale Struktur.Auf seinen Oberflächen lassen sich Wasserstoffatome zwischenspeichern und für verschiedene Prozesse wiederverwenden.Doch um möglichst viel Wasserstoff zu speichern, braucht es große Flächen.Denn die Eigenschaften der Graphenschicht können nur optimal ausgenutzt werden, wenn in einem minimalen Volumen ein Maximum an aktiver Oberfläche vorhanden ist.Um jedoch ein Maximum an Oberfläche in kompakter Form zu erhalten, muss Graphen von einer üblichen zweidimensionalen Anordnung auf einer Substratoberfläche in eine dreidimensionale Struktur überführt werden.Dieser Herausforderung stellte sich Dr. Stefan Heun vom Istituto Nanoscienze des Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) in Pisa, Italien.Um eine wirtschaftliche Relevanz zu erreichen, sollte ein „Tank“ mindestens fünf Kilogramm Wasserstoff speichern können, dabei aber ein Gewicht von 100 Kilogramm oder ein Volumen von 100 Litern nicht überschreiten.Soll eine solche Menge Wasserstoff gespeichert werden, werden mehr als 10 Quadratkilometer Graphen benötigt.Eine dreidimensionale Anordnung von Graphen ist daher unausweichlich.Auch interessant: Start-up des Tages: Aus Lebensmittelabfällen Graphen herstellenDie entsprechende Expertise fand er am Institut für Sensor- und Aktorsysteme der Technischen Universität Wien, Österreich.Hier forscht die Gruppe von Professor Ulrich Schmid seit Jahren an Verfahren, die es ermöglichen, feinste, poröse Strukturen kontrolliert in dichte Materialien zu integrieren.Denn durch die gezielte Steuerung der Porosität lassen sich viele Materialeigenschaften in einem weiten Bereich beeinflussen.Dabei ist es der Forschungsgruppe gelungen, einen elektrochemischen Prozess zu entwickeln, der es ermöglicht, winzige Löcher und Kanäle in bestimmte Materialien wie den Halbleiter Siliziumkarbid zu ätzen.Das Verfahren besteht aus mehreren Schritten, bei denen ganz bestimmte Lösungsmittel, elektrischer Strom und UV-Strahlung zum Einsatz kommen.Foto: Die Präparationskammer des Elektronenmikroskops, in der das Graphen hergestellt wird.Dr. Stefano Veronesi, Mitglied der Forschungsgruppe von Dr. Heun am Istituto Nanoscienze, erklärt, was die Anwendung dieses Verfahrens im Hinblick auf die Wasserstoffspeicherung bedeutet: „Graphen kann sowohl molekularen als auch elementaren Wasserstoff an der Oberfläche binden (speichern).Bei Raumtemperatur bindet jedoch nur elementarer Wasserstoff gut an Graphen.Molekularer Wasserstoff hingegen geht nur eine sehr schwache Bindung mit der Graphenoberfläche ein.Durch gezielte Funktionalisierung („grafting“) der Graphenoberfläche kann die „Speicherfähigkeit“ der Graphenoberfläche bereits bei Raumtemperatur deutlich erhöht werden.Wie viel Wasserstoff gespeichert werden kann, wird durch die vorhandene Graphenoberfläche bestimmt – je mehr Graphen, desto mehr Wasserstoff kann gespeichert werden.“Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Graphen herzustellen.Im Forschungskonsortium mit dem Istituto Nanoscienze und der Universität Antwerpen, Belgien, arbeitete das Team der TU Wien mit Siliziumkarbid (SiC) – einem Kristall aus Silizium und Kohlenstoff.Das Forschungsziel war zu zeigen, dass es möglich ist, das zweidimensionale Material Graphen auf einem dreidimensionalen Substrat herzustellen.Dazu wurde Siliziumkarbid gezielt porös gemacht und dessen Oberfläche anschließend in Graphen umgewandelt.Wird die Oberfläche von Siliziumkarbid bei hohen Temperaturen und tiefstem Umgebungsdruck erhitzt, verdampft das Silizium und der Kohlenstoff bleibt zurück.Um anschließend eine Graphenschicht auf einer 3D-Oberfläche zu erhalten, entwickelten die Forscher einen elektrochemischen Ätzprozess, der das feste Siliziumkarbid in die gewünschte poröse Nanostruktur umwandelt.Dieser Prozess entfernt ungefähr 42 Prozent des Volumens.Die verbleibende Nanostruktur wird dann von den Forschern in Pisa im Hochvakuum erhitzt, um die Bildung von Graphen an der Oberfläche auszulösen.Foto: Das Bild rechts zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus.Die gelben Bereiche zeigen die poröse Struktur.Die schwarzen hexagonalen Gitter zeigen die Bildung von Graphen an der Oberfläche der porösen Struktur.Der Erfolg des Experiments wurde von Experten des Instituts für Elektronenmikroskopie für Materialwissenschaften (EMAT) an der Universität Antwerpen, Belgien, untersucht.Dort zeigte sich, dass sich tatsächlich viele Graphenabschnitte auf der kompliziert geformten Oberfläche der 3D-Nanostruktur gebildet hatten.So konnte nachgewiesen werden, dass Graphen auch in einer 3D-Struktur erzeugt werden kann – eine bahnbrechende Entdeckung für die Entwicklung eines Wasserstoff-„Tanks“, der einige Kilogramm Wasserstoff bei niedrigem Druck und bei Raumtemperatur speichern kann.Funktionalisiertes Graphen ist für diese Anwendung äußerst vielversprechend, sagt Professor Schmid.Ein weiteres Anwendungsgebiet für große Graphenoberflächen sind chemische Sensoren, mit denen sich beispielsweise seltene Bestandteile von Gasen nachweisen lassen.„Wenn Gasmoleküle an die Oberfläche graphenbasierter Gassensoren andocken, erfassen sie die Änderungen der elektrischen Leitfähigkeit der Graphenschicht.Je nach Gasmolekül gibt es dann entweder Elektronen an die Graphenschicht ab (Donor) oder nimmt Elektronen von der Graphenschicht auf (Akzeptor).Dieser Elektronenaustausch verändert die Leitfähigkeit der Graphenschicht.Aufgrund der hauchdünnen Graphenschicht ist dieses Messprinzip äußerst empfindlich und ermöglicht den Nachweis einzelner Moleküle, erklärt Dr. Georg Pfusterschmied, Mitarbeiter in der Arbeitsgruppe von Professor Schmid und Mitautor der Studie.Gassensoren werden in verschiedenen Branchen eingesetzt, darunter Branderkennung, Leckortung, Emissionsmessung, Erkennung von Kampfstoffen wie Sprengstoffen oder Giftgas und Bestimmung der Raumluftqualität.Ebenfalls interessant: Ein neues Verfahren zur präzisen Perforation von MaterialschichtenS. Veronesi et al., 3D-Anordnung von epitaktischem Graphen, das konform auf porösifiziertem kristallinem SiC gewachsen ist, Kohlenstoff 189, 210 (2022).https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S000862232101201X?via%3DihubInnovation Origins ist eine unabhängige Nachrichtenplattform mit einem unkonventionellen Erlösmodell.Wir werden von Unternehmen gesponsert, die unsere Mission unterstützen: die Geschichte der Innovation zu verbreiten.Weiterlesen.Bei Innovation Origins können Sie unsere Artikel jederzeit kostenlos lesen.Das wollen wir beibehalten.Haben Ihnen unsere Artikel so gut gefallen, dass Sie unsere Mission unterstützen möchten?Dann nutzen Sie die Schaltfläche unten:Einmalige Spende Monatlich Jedes Quartal JährlichWährung* AEDAUDBGNCADCHFCZKDKKEUR (€)GBP (£)HKDHRKHUFILSISKJPY (¥)NOKNZDPHPPLNRONRUBSEKSGDUSD (US$)ZARABetrag ( ) *== Wählen Sie eine Zahlungsmethode ==iDEALKredit-/DebitkartePayPalHiermit stimme ich der Datenschutzerklärung zu