Grafeen uit de keukenblender

Veel onerzoekers, waaronder Jonathan Coleman van het Trinity College in Dublin, zijn op zoek naar manieren om grafeen van goede kwaliteit te produceren. In Nature Materials beschrijft een team onder leiding van Coleman (en gefinancierd door de Britse firma Thomas Swan) hoe zij met behulp van een krachtige (400 W) keukenblender, een halve liter water, 10 …25 milliliter wasmiddel en 20 … 50 gram koolstofpoeder grafeen kunnen maken. Ze lieten de blender 10 … 30 minuten draaien, met als resultaat een suspensie met een grote hoeveelheid grafeenvlokken op micrometerformaat.

Coleman haast zich om er aan toe te voegen dat het in het recept draait om een delicate balans tussen het oppervlakteactieve materiaal en het grafiet. De exacte verhoudingen heeft hij nog niet prijsgegeven, maar een publicatie met een gedetailleerd keukenrecept is in voorbereiding. In zijn laboratorium werden ook centrifuges, elektronenmicroscoops en spectrometers gebruikt om ht grafeen te scheiden uit de suspensie  en het resultaat te testen.  Eerlijk gezegd werd het recept voor de keukenblender pas later in de studie opgenomen, als een soort gimmick. Het echte werk werd aanvankelijk gedaan met een industriële blender.

Opgeschaald

Maar toch, zegt Coleman, blijkt hoe eenvoudig het is om met deze nieuwe methode grafeen in industriële hoeveelheden te maken. De firma Thomas Swan heeft het (inmiddels gepatenteerde) proces opgeschaald in een productiepilot en wil tegen het eind van dit jaar dagelijks een kilo grafeen maken. Dat zal dan worden verkocht als gedroogd poeder of in een vloeibare dispersievorm die als een spray op andere materialen kan worden aangebracht.

Kwaliteit

De kwaliteit van de vlokken is minder goed dan die van de winnaars van de Nobelprijs voor Chemie in 2010, André Geim en Kostya Novoselov. Zij werden beroemd doordat zij plakband gebruikten op grafeenlagen af te pellen van grafiet. Ook zijn de vlokken kleiner dan de metersgrote grafeenvellen die in de industrie atoom-voor-atoom worden aangegroeid uit een damp. Maar afgezien van de high-end elektronicatoepassingen, voldoen de kleinere vlokken zeker. Hoewel jaarlijks al honderden tonnen grafeen worden geproduceerd – het is ook al online te koop – is de kwaliteit niet constant. Veel van de al verkrijgbare vlokken zitten vol defecten of zijn besmeurd met chemicaliën, wat de geleidbaarheid en andere eigenschappen aantast. Ook zijn ze vaak tientallen of honderden lagen dik. "De meeste  bedrijven verkopen spul dat ik niet eens grafeen zou durven noemen", zegt Coleman.

De blendertechniek levert kleine vlokken van gemiddeld zo’n vier of vijf lagen dik en zonder defecten – dus met goede elektrische geleiding. Coleman denkt dat de blender voldoende zijwaartse krachten in de vloeistof opwekt om lagen koolstof los te maken uit de brokjes grafiet.  

Keukenblenders zijn niet de enige manier om kwalitatief goede grafeenvloken te maken. Er zijn ook onderzoekers die gebruik maken van ultrageluid of van elektrochemische processen.

Toepassingen

Wat toepassingen betreft, zegt Coleman: "In de grafeenmarkt  geldt niet one size fits all". Maar de onderzoekers hebben het getest als elektrodemateriaal voor zonnecellen en batterijen. Ook zegt hij dat de vlokken als vulmateriaal kunnen worden toegevoegd aan plastic drankflesjes. Door de sterkte van het grafeen zou dan minder plastic nodig zijn en het materiaal zou gasmoleculen als zuursstof en kooldioxide niet doorlaten zodat de drank langer houdbaar blijft.

Een andere toepassingsmogelijkheid is het toevoegen van een kleine hoeveelheid grafeen aan rubber. Dan ontstaat een materiaal waarvan de geleiding vervandert bij uitrekken – met andere woorden: een gevoelig rekstrookje. Andy Goodwin, de commercieel directeur van Thomas Swan, denkt aan flexibele, goedkope elektronische displays en er is ook al gesuggereerd dat grafeenvlokken zouden kunnen worden gebruikt in   ontziltingsinstallaties en zelfs condooms.