Materiaalkunde
Graphene opschonen: de sleutel tot commercialisatie
Voeg Securities.io toe aan je voorkeursbronnen op Google
Door de jaren heen heeft grafeen vele bijvoeglijke namen gekregen. Sommigen noemden het het ‘verbazingwekkende wondermateriaal’, terwijl anderen het een ‘bewezen supermateriaal’ noemden. De wereld werd meer dan een decennium geleden wakker voor de wonderen van grafeen.
In 2012 publiceerde Nature een artikel getiteld ‘A roadmap for graphene‘, waarin werd uitgelegd waarom grafeen snel opkwam als het pronkstuk van de wetenschappelijke gemeenschap. Onderzoekers benadrukten de eigenschappen van grafeen als reden voor deze belangstelling, en zeiden:
“Deze één-atoom-dikke koolstofstof combineert op unieke wijze extreme mechanische sterkte, uitzonderlijk hoge elektrische en thermische geleidbaarheid, ondoordringbaarheid voor gassen, evenals vele andere voortreffelijke eigenschappen, die het zeer aantrekkelijk maken voor talrijke toepassingen.”
Door het potentieel van grafeen te realiseren besloot de Europese Unie om 1 miljard euro of US$1.3 miljard eraan te besteden tussen 2013 en 2023. De investering had tot doel de transformatieve mogelijkheden van grafeen vast te stellen, vooral wanneer toegepast op elektronica, energie, gezondheid, bouw, enz. Deze initiatieven kregen steun van een lange onderzoeksgeschiedenis, aangezien er meer dan 8.000 papers over grafeen werden geschreven tussen 2005 en 2013.
Sindsdien is de belangstelling voor grafeen binnen de wetenschappelijke gemeenschap niet afgenomen. Nu onderzoeken onderzoekers manieren om grafeen verder te commercialiseren op grotere schaal. In een dergelijke studie keek een team van ingenieurs aan de Columbia University, samen met collega’s aan de Universiteit van Montreal en het National Institute of Standards and Technology, naar de mogelijkheden om grafeen op te schonen, zodat het klaar is voor grootschalige, commerciële reproductie.
De uitdagingen aanpakken bij de chemische dampafzetting (CVD) synthese van grafeen
CVD is een van de twee traditionele methoden voor het synthetiseren van grafeen, de andere is de ‘scotch-tape’ methode. De methode, ook bekend als CVD-groei, bereikt zijn doelen door een koolstofhoudend gas, zoals methaan, over een koperoppervlak te laten stromen bij ongeveer 1000 °C.
Het proces splitst het methaan zodat de koolstofatomen zich kunnen herschikken en uitlijnen in een enkele honingraatvormige grafeenlaag. Het voordeel van deze methode ten opzichte van de ‘scotch-tape’ methode is dat CVD-groei veel grotere grafeenmonsters kan creëren, centimeters of zelfs meters groot. De output van de ‘scotch-tape’ methode daarentegen produceert zeer kleine grafeen, enkele tientallen micrometer groot.
De CVD-groei outputs van grafeen zijn breder bruikbaar dan de outputs van de ‘scotch-tape’ methode. Echter, de CVD-gesynthetiseerde monsters lijden onder reproduceerbaarheidsproblemen en variabele kwaliteit.
Om deze uitdagingen aan te pakken, hebben de onderzoekers een zuurstofvrije chemische dampafzetting (OF-CVD) methode ontwikkeld die hoogwaardige grafeenmonsters op schaal kan creëren.
Terwijl hij sprak over de innovatie en de baanbrekende kwaliteit, zei James Hone, de senior auteur van het onderzoek en de Wang Fong-Jen Professor of Mechanical Engineering aan Columbia Engineering, het volgende:
“We laten zien dat het vrijwel volledig elimineren van zuurstof uit het groeiproces de sleutel is tot het bereiken van reproduceerbare, hoogwaardige CVD-grafeen synthese. Dit is een mijlpaal richting grootschalige productie van grafeen.”
Het onderzoek, naast wat het heeft bereikt op het gebied van wetenschap en technologie, toonde ook hoe academische samenwerkingen moeten werken. Het was zes jaar geleden toen Richard Martel en Pierre Levesque, mede-auteurs van het onderzoek uit Montreal, hadden aangetoond dat sporen van zuurstof het groeiproces kunnen vertragen en grafeen kunnen etsen. In die tijd, gebaseerd op de bevindingen van Martel en Levesque, ontwierp en bouwde Christopher DiMarco, GSAS 19, een CVD-groei systeem waarin het mogelijk was de hoeveelheid zuurstof tijdens het automatiseringsproces te regelen.
De huidige studie is een voortzetting van het werk van Martel, Levesque en Di Marco, waarbij Xingzhou Yan en Jacob Amontree, huidige PhD‑studenten, ontdekten dat de CVD‑groei veel sneller was wanneer de sporen van zuurstof werden geëlimineerd. De kwaliteit van deze zuurstofvrije CVD‑gekweekte monsters is vrijwel identiek aan die van geëxfolieerde grafeen, die behoorlijk schoon is en vrij van onzuiverheden die anders de gewenste eigenschappen van grafeen zouden kunnen verstoren.
Naast het produceren van schone en pure grafeen ontdekten de onderzoekers dat het mogelijk was de CVD‑groeisnelheid te voorspellen over een reeks verschillende parameters, waaronder gasdruk en temperatuur.
In de komende dagen plannen de onderzoekers om verder te gaan met grafeen door een methode te ontwikkelen voor het schoon overbrengen van de hoogwaardige grafeen van de metalen groeikatalysator naar andere functionele substraten, zoals silicium. Dit zou de mogelijkheden van grafeen nog verder uitbreiden.
‘Schone’ grafeen: de sleutel tot commercialisatie
Grafeen heeft sinds de vroege dagen veel aandacht gekregen vanwege zijn vele kwaliteiten. Zijn koolstofatomen zijn perfect verdeeld in een hexagonale honingraatstructuur, slechts 0,3 nanometer dik, met slechts 0,1 nanometer tussen elk atoom. Deze structurele eenvoud en zuiverheid geven grafeen verschillende eigenschappen.
Bijvoorbeeld, het is 200 keer sterker dan staal en toch zes keer lichter. Zijn transparantie is bijna perfect, waardoor ongeveer 98% van het licht doorgaat terwijl slechts 2% wordt geabsorbeerd. Grafeen is ook ondoordringbaar voor gassen, en zijn eigenschappen kunnen worden aangepast door chemische componenten aan het oppervlak toe te voegen. Annick Loiseau van het National Office for Aerospace Studies and Research (ONERA) bedacht een slogan die luidde, “The future lies in pencil graphite!”
In wezen was grafeen klaar voor commercialisatie. Het was voorbereid op de grote sprong. Toch bleef één gebied een punt van discussie: het reinigen van grafeen terwijl de grootte behouden blijft. Het huidige onderzoek toont hoe je schone grafeen kunt creëren die centimeters of zelfs meters groot is en klaar maakt voor grootschalige commercialisatie.
Met de voordelen van grafeen beschikbaar voor iedereen om te verkennen en te benutten, raakte de wetenschappelijke gemeenschap geïnteresseerd in de mogelijkheden van andere monolaag elementaire structuren. Het element dat onderscheid kreeg was boor, met zijn monolaag die Borophene wordt genoemd.
De vergelijking tussen grafeen en Borophene
Graphene and Borophene bestaan uit enkele lagen van hun respectieve elementen. Ze hebben een hoge structurele sterkte, zijn zeer flexibel en breken niet gemakkelijk af.
Er zijn ook enkele verschillen. Bijvoorbeeld, grafeen heeft platte vellen en een hexagonaal rooster. Borophene vellen hebben een lichte kromming en bestaan uit drie sub‑allotrofen met verschillende rangschikkingen van driehoeken en zeshoeken.
We hebben al de eigenschappen van grafeen besproken. De eigenschappen van borophene maken het een cruciaal element in fotovoltaïsche, flexibele elektronica en displaytechnologieën, dankzij zijn hoge elektrische geleidbaarheid en optische transparantie langs de ‘a’‑richting en allerlei nieuwe anisotropie.
Over het geheel genomen heeft de ontwikkeling van grafeen en borophene het mogelijk gemaakt om verschillende technologische innovaties uit te proberen met interessante toegepaste kwaliteiten.
In de discussie van vandaag, die zich richt op grafeen, zullen we kijken naar bedrijven die innovatief waren in hun toepassing van grafeen. Maar voordat we individuele bedrijven en hun prestaties onderzoeken, moeten we de Graphene Flagship bekijken, het pionierende consortium dat nieuwe horizonten opent voor het ontwikkelen van verschillende oplossingen met grafeen.
De Graphene Flagship
Gefinancierd door de Europese Unie, brengt de Graphene Flagship 118 academische en industriële partners samen in 12 onderzoeks‑ en innovatieprojecten en één coördinatie‑ en ondersteuningsproject ‘om de strategische autonomie van Europa op het gebied van technologieën die afhankelijk zijn van grafeen en andere 2D‑materialen te bevorderen.’
In de afgelopen tien jaar heeft de Graphene Flagship vele mijlpalen bereikt. De recentste en wellicht belangrijkste van deze mijlpalen tot nu toe is het succes van het baanbrekende 2D‑materiaal halfgeleiderintegratieproject van grafeen.
Het project begon in oktober 2020 om grafeen en gerelateerde materialen (GRM) uit het laboratorium te halen en in schaalbare commerciële productie en gebruik te brengen. Met een budget van 20 miljoen euro verspreid over vier jaar, richtte het 2D Experimental Pilot Line (2D‑EPL) project zich op prototyping, waferfabricage en procesinzet.
De resultaten waren veelbelovend, om het zacht uit te drukken. Dankzij de prestaties van het project kregen academici, onderzoekers en private bedrijven voor het eerst de mogelijkheid om nieuwe ideeën voor 2D‑materiaalapparaten te testen en te prototypen. Dit leidde tot multi‑project wafer (MPW) runs, die goedkope, grootschalige prototype‑ontwikkeling mogelijk maakten.
Op het gebied van procesinzet heeft de Graphene Flagship de wetenschappelijke gemeenschap geholpen door twee op maat gemaakte nieuwe tools te bouwen, waaronder een metallo‑organische chemische dampafzetting (MOCVD) reactor van Aixtron en een geautomatiseerde 2D‑laagtransfertool van SUSS MicroTec (SMHN.SW ). Deze tools maakten het mogelijk grondige tests uit te voeren en 2D‑materiaalgroei en laagtransferprocessen aan te passen, die essentieel zijn voor het bereiken van hoge productievermogens in de toekomst.
Terwijl hij de prestaties van de Graphene Flagship en haar 2D‑EPL project uitlegde, zei Patrik Johansson, de directeur van de Graphene Flagship, het volgende:
“De Pilot Line gaat niet alleen over de harde data en wetenschappelijke en technologische vooruitgangen die we hebben verzameld, maar ook — en misschien nog belangrijker — de persoonlijke interacties die een speelveld hebben gecreëerd voor kruisbestuiving van ideeën voor de toekomst van 2D‑materialeninnovatie in Europa. Terwijl de wereldwijde grafeenmarkt naar verwachting exponentieel zal groeien, van een jaarlijkse omzet van 380 miljoen US$ in 2022 tot 1.5 miljard US$ in slechts vijf jaar, zijn projecten zoals de 2D‑EPL van vitaal belang om Europa aan de voorhoede van ontwikkeling en innovatie te houden.”
Naast het consortium hebben enkele individuele bedrijven en ondernemingen uitstekend werk verricht in dit veld. In de onderstaande segmenten bespreken we kort een paar van zulke bedrijven.
#1. NanoXplore
Opgericht in 2011 en gevestigd in Montréal, Quebec, heeft NanoXplore een 4,000-metric-ton-per-year graphene powder production facility (GRA.TO ) ontworpen met een modulaire structuur. Het bedrijf is gespecialiseerd in het ontwikkelen en formuleren van grafeen‑gebaseerde oplossingen als additief om de prestaties van industriële materialen binnen thermoplastics en thermosets te verbeteren.
De NanoXplore‑faciliteit beschikt over toonaangevende extrusiecapaciteiten voor het creëren van grafeen‑verrijkte masterbatches in polyolefinen en ontworpen polymeren. Via haar gepatenteerde eigen schone technologie biedt NanoXplore haar klanten een reeks grafeen‑gebaseerde oplossingen, waaronder GrapheneBlack™‑poeder en grafeen‑verrijkte masterbatchpellets. De Composites business division van NanoXplore biedt standaard en op maat gemaakte plastic‑ en composietproducten aan diverse klanten in transport, verpakkingen, elektronica en andere industriële sectoren.
Graphene Black van NanoXplore is een multifunctioneel grafeenpoeder met de beste balans tussen mengbaarheid en verwerkbaarheid. Dit maakt grafeen commercieel levensvatbaarder en verbetert aanzienlijk de eigenschappen van kunststoffen en polymeren.
NanoXplore probeert ook GrapheneBlack toe te voegen aan huidige Li‑ion‑chemieën in silicium‑ondersteunde Li‑ion‑anodes om de energiedichtheid en oplaadsnelheden te verbeteren in haar grafeen‑verrijkte batterijen die nuttig zijn voor elektrische voertuigen, energieopslagsystemen, en elektrische vrachtwagens en bussen.
Volgens haar laatste financiële rapporten behaalde NanoXplore een omzet van 33.87 miljoen en bijna 92 miljoen Canadese Dollars voor respectievelijk de drie‑maanden‑ en negen‑maanden‑perioden die eindigden op 31 maart 2024.
Een ander bedrijf dat goed presteert in de schone productie van grafeenpoeder is GMG of Graphene Manufacturing Group Limited.
#2. Graphene Manufacturing Group Limited
Het is een clean‑technology bedrijf met een eigen productieproces dat grafeenpoeder vervaardigt uit gemakkelijk verkrijgbare, goedkope grondstoffen. Het proces produceert ‘hoogwaardige, goedkope, schaalbare, afstelbare en verontreinigingsvrije grafeen’ die helpt bij het ontwikkelen van oplossingen op het gebied van energiebesparing en energieopslag.
Meer specifiek omvat de productlijn van GMG grafeen‑verrijkte verwarmings‑, ventilatie‑, airconditioning‑ en koelcoatings (HVAC‑R), smeermiddelen en vloeistoffen. Het bedrijf werkt ook aan de commercialisatie van GMG grafeen‑aluminium‑ionbatterijen die potentieel een hogere energiedichtheid kunnen hebben dan lithium‑ionbatterijen.
Voor de drie‑maanden‑ en negen‑maanden‑perioden eindigend op 31 maart 2024, verdiende GMG respectievelijk 53,000 en 212,000 Australische dollars.
Het wondermateriaal van de toekomst?
De baanbrekende eigenschappen en kenmerken van grafeen zullen het in de toekomst in staat stellen meer te bereiken. Het zal worden gebruikt in elektronica, fotonica, energie, biomedisch, composieten en bij het ontwerpen van de 2D‑materialen van morgen.
Deze 2D‑materialen bieden uitzonderlijke fysieke en chemische eigenschappen, waardoor baanbrekende toepassingen mogelijk worden in opto‑elektronica, energie, sensortechnologie, composieten en meer. De sleutel tot snelle groei zou het ontwikkelen van methoden zijn die met grafeen werken op de meest duurzame en kosteneffectieve manier mogelijk.
