Graphen kann mit verschiedenen Methoden synthetisiert werden.
Jede Methode hat ihre eigenen Vor- und Nachteile.
Die Wahl der Methode hängt oft von der beabsichtigten Anwendung des Graphens ab.
Welche Synthesemethoden gibt es für Graphen? 5 Schlüsseltechniken erklärt
1. Chemische Gasphasenabscheidung (CVD)
CVD ist eine weit verbreitete Methode zur Synthese großflächiger, gleichmäßiger Graphenschichten.
Bei dieser Technik werden Graphenschichten auf Substraten mit Übergangsmetallen wie Nickel (Ni) oder Kupfer (Cu) aufgewachsen.
Das Verfahren beinhaltet in der Regel die Zersetzung eines kohlenstoffhaltigen Gases, wie Methan, bei hohen Temperaturen.
Die Kohlenstoffatome diffundieren dann in das Metallsubstrat und scheiden sich beim Abkühlen als Graphen an der Oberfläche ab.
Li et al. erzielten 2009 mit der Methan-CVD auf Kupferfolie, die heute für die großindustrielle Herstellung von Graphen-Dünnschichten verwendet wird, bedeutende Fortschritte bei dieser Methode.
Der CVD-Prozess kann durch Batch-to-Batch- (B2B) oder Rolle-zu-Rolle- (R2R) Verfahren weiter optimiert werden, um den Produktionsdurchsatz zu erhöhen und große Breiten und Längen von Graphenschichten zu erzielen.
2. Mechanische Exfoliation
Bei dieser von Geim und Novoselov entwickelten Methode werden die Graphenschichten mit Hilfe von Klebeband physisch vom Graphit getrennt.
Mit dieser Methode kann zwar hochwertiges Graphen hergestellt werden, sie ist jedoch aufgrund des hohen Arbeitsaufwands und der geringen Größe der entstehenden Graphenflocken nicht für eine großflächige oder Massenproduktion geeignet.
3. Flüssig-Phasen-Exfoliation
Bei dieser Methode wird Graphit in einem flüssigen Medium dispergiert, um es in einzelne Graphenblätter zu zerlegen.
Die Reduktion von Graphenoxid ist ein weiterer Ansatz, bei dem Graphenoxid, eine chemisch modifizierte Form von Graphen mit sauerstoffhaltigen Gruppen, reduziert wird, um seine elektrischen Eigenschaften wiederherzustellen.
Mit diesen Methoden lassen sich Graphenpulver und -nanopartikel herstellen, die in verschiedenen Anwendungen wie Energiespeicherung, Polymerverbundwerkstoffen und Beschichtungen eingesetzt werden.
4. Reduktion von Graphenoxid (GO)
Die Reduktion von Graphenoxid ist ein weiterer Ansatz, bei dem Graphenoxid, eine chemisch modifizierte Form von Graphen mit sauerstoffhaltigen Gruppen, reduziert wird, um seine elektrischen Eigenschaften wiederherzustellen.
Mit diesen Methoden lassen sich Graphenpulver und -nanopartikel herstellen, die in verschiedenen Anwendungen wie Energiespeicherung, Polymerverbundwerkstoffen und Beschichtungen eingesetzt werden.
5. Anwendungen und Markttrends
Die Wahl der Synthesemethode für Graphen hängt wesentlich von der beabsichtigten Anwendung ab.
So wird CVD-gewachsenes Graphen aufgrund seiner hohen Qualität und geringen Defektzahl für Hochleistungselektronik und Sensoren bevorzugt.
Im Gegensatz dazu eignen sich Graphenpulver und -nanopartikel, die in der Regel im Top-down-Verfahren hergestellt werden, besser für Anwendungen wie leitfähige Tinten und Additive in Verbundwerkstoffen.
Der Markt für Graphen wird voraussichtlich erheblich wachsen, wobei kurz- bis mittelfristig Anwendungen mit Nanopartikeln und Pulver dominieren werden.
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