{"id":352875,"date":"2022-02-09T12:00:00","date_gmt":"2022-02-09T11:00:00","guid":{"rendered":"https:\/\/innovationorigins.com\/?p=352875"},"modified":"2022-02-09T12:00:00","modified_gmt":"2022-02-09T11:00:00","slug":"mit-dreidimensionaler-anordnung-von-graphen-groessere-mengen-wasserstoff-speichern","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/de\/mit-dreidimensionaler-anordnung-von-graphen-groessere-mengen-wasserstoff-speichern\/","title":{"rendered":"Mit dreidimensionaler Anordnung von Graphen gr\u00f6\u00dfere Mengen Wasserstoff speichern"},"content":{"rendered":"\n

Graphen gilt seit seiner Entdeckung als Wundermaterial,<\/em> weil es mehrere herausragende Eigenschaften vereint. Es ist es d\u00fcnn und leicht bei gleichzeitiger Stabilit\u00e4t und Biegsamkeit und verf\u00fcgt \u00fcber eine hohe elektrische Leitf\u00e4higkeit. Viele Anwendungen sind schon m\u00f6glich, viele sind noch zu erforschen. Vielversprechend scheint Graphen auch f\u00fcr die Entwicklung von \u201aTanks\u2019 mit denen man gr\u00f6\u00dfere Mengen Wasserstoff speichern kann. <\/p>\n\n\n\n

Wasserstoff speichern<\/h3>\n\n\n\n

Graphen ist eine Modifikation des Kohlenstoffs und hat eine zweidimensionale Struktur. Auf seinen Oberfl\u00e4chen kann man Wasserstoffatome zwischenlagern und sie dann f\u00fcr verschiedene Prozesse weiterverwenden. Um m\u00f6glichst gro\u00dfe Mengen an Wasserstoff speichern zu k\u00f6nnen, braucht es allerdings gro\u00dfe Oberfl\u00e4chen. Denn erst wenn sich m\u00f6glichst viel aktive Oberfl\u00e4che in einem begrenzten Volumen befindet, k\u00f6nnen die Eigenschaften der Graphen-Schicht optimal gen\u00fctzt werden.<\/p>\n\n\n\n

Dreidimensionale Anordnung<\/h3>\n\n\n\n

Um viel Oberfl\u00e4che in kompakter Form zu erhalten, muss man Graphen allerdings von einer \u00fcblichen zweidimensionalen Anordnung auf einer Substratoberfl\u00e4che in eine dreidimensionale Struktur einbringen. Eine Herausforderung, vor der Dr. Stefan Heun<\/a> am Istituto Nanoscienze<\/em> des Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR)<\/em> in Pisa<\/a> stand. Denn um wirtschaftliche Relevanz zu erreichen, sollte ein \u2018Tank\u2019 mindestens f\u00fcnf Kilogramm Wasserstoff speichern k\u00f6nnen. Dabei sollte dieser ein Gewicht von 100 Kilogramm und ein Volumen von 100 Liter nicht \u00fcberschreiten. Will man eine derartige Menge an Wasserstoff  speichern, werden mehr als zehn km2<\/sup> Graphen ben\u00f6tigt. Eine dreidimensionale Anordnung von Graphen ist also unumg\u00e4nglich.<\/p>\n\n\n\n

Auch interessant:<\/strong> Start-up of The Day: Herstellung von Graphen aus Lebensmittelabf\u00e4llen<\/a><\/p>\n\n\n\n

Por\u00f6se Struktur<\/h3>\n\n\n\n

Die entsprechende Expertise fand er am Institut f\u00fcr Sensor- und Aktuatorsysteme<\/em> an der TU Wien<\/em><\/a>. Hier forscht die Gruppe von Professor Ulrich Schmid<\/a> schon seit Jahren an Verfahren, die es erm\u00f6glichen, in dichte Materialien auf kontrollierte Weise extrem feine, por\u00f6se Strukturen zu integrieren. Denn mit einer gezielten Steuerung der Porosit\u00e4t lassen sich viele verschiedene Materialeigenschaften in einem weiten Bereich beeinflussen. Dabei gelang es der Forschungsgruppe einen elektrochemischen Prozess zu entwickeln, der es erm\u00f6glicht, winzig kleine L\u00f6cher und Kan\u00e4lchen in bestimmte Materialien, wie zum Beispiel dem Halbleiter Siliziumcarbid zu \u00e4tzen. Das Verfahren besteht aus mehreren Schritten, in denen ganz bestimmte L\u00f6sungsmittel, elektrischer Strom und UV-Bestrahlung eingesetzt werden.<\/p>\n\n\n\n

\"Wasserstoff
(c) TU Wien<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

 Foto:<\/strong> Die Vorbereitungskammer des Elektronenmikroskops, in der das Graphen hergestellt wird. <\/em><\/p>\n\n\n\n

Gezielte Funktionalisierung<\/h3>\n\n\n\n

Was die Anwendung dieses Verfahrens in Bezug auf die Wasserstoffspeicherung bedeutet, erkl\u00e4rt Dr. Stefano Veronesi<\/a>, Mitarbeiter in der Forschungsgruppe von Dr. Heun am Istituto Nanoscienze<\/em>: \u201cGraphen kann molekularen sowie elementaren Wasserstoff an der Oberfl\u00e4che binden (speichern). Bei Raumtemperatur bindet jedoch nur elementarer Wasserstoff sehr gut an Graphen. Molekularer Wasserstoff geht hingegen nur eine sehr schwache Bindung mit der Graphen-Oberfl\u00e4che ein. Durch gezielte Funktionalisierung (\u201egrafting\u201c) der Graphen-Oberfl\u00e4che l\u00e4sst sich die \u201aSpeicher\u2019-F\u00e4higkeit der Graphen-Oberfl\u00e4che auch bei Raumtemperatur deutlich erh\u00f6hen. Wieviel Wasserstoff gespeichert werden kann, wird durch die vorhandene Graphen-Oberfl\u00e4che bestimmt \u2013 je mehr Graphen, umso mehr Wasserstoff kann gespeichert werden.\u201c<\/p>\n\n\n\n

Forschungsziel<\/h3>\n\n\n\n

Es gibt unterschiedliche M\u00f6glichkeiten um Graphen zu erzeigen. Im Forschungskonsortium mit dem Istituto Nanoscienze<\/em> und der Universit\u00e4t Antwerpe<\/em>n<\/a> arbeitete das Team von der TU Wien<\/em> mit Siliziumcarbid (SiC) – einem Kristall aus Silizium und Kohlenstoff. Forschungsziel war es, zu zeigen, <\/em>dass man das zwei-dimensionale Material Graphen auf einem drei-dimensionalen Untergrund erzeugen kann. Dazu wurde Silizumcarbid gezielt por\u00f6s gemacht und dessen Oberfl\u00e4che anschlie\u00dfend in Graphen umgewandelt. <\/p>\n\n\n\n

Siliziumcarbid<\/h3>\n\n\n\n

Erhitzt man die Oberfl\u00e4che von Siliziumcarbid bei hohen Temperaturen und ultraniedrigem Umgebungsdruck, dann verdampft das Silizium und der Kohlenstoff bleibt \u00fcbrig. Um anschlie\u00dfend eine Graphen-Schicht auf einer 3D-Oberfl\u00e4che zu erhalten, entwickelten die Forscher einen elektrochemischen \u00c4tzprozess, der aus dem soliden Siliziumcarbid die gew\u00fcnschte por\u00f6se Nanostruktur macht. Bei diesem Prozess werden ungef\u00e4hr 42 Prozent des Volumens entfernt. Die verbleibende Nanostruktur wurde dann von den Forschern in Pisa in Hochvakuum erhitzt, um an der Oberfl\u00e4che die Bildung von Graphen auszul\u00f6sen. <\/p>\n\n\n\n

\"Wasserstoff
Graphen in dreidimensionaler Anordnung (c) TU Wien<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Foto:<\/strong> Im Bild rechts findet sich eine schematische Darstellung der Struktur. Die gelben Bereiche zeigen die por\u00f6se Struktur. Die schwarzen hexagonalen Gitter zeigen die Ausbildung von Graphen an der Oberfl\u00e4che der por\u00f6sen Struktur. <\/em><\/p>\n\n\n\n

Erkenntnis<\/h3>\n\n\n\n

Der Erfolg des Experiments wurde von den Experten vom Institut f\u00fcr Electron Microscopy for Material Science (EMAT) an der Universit\u00e4t Antwerpen<\/a><\/em> untersucht. Dort zeigte sich, dass sich auf der kompliziert geformten Oberfl\u00e4che der 3D-Nanostruktur tats\u00e4chlich eine Vielzahl von Graphen-Abschnitten gebildet hatte. Somit konnte der Beweis erbracht werden, dass Graphen auch in einer 3D-Struktur erzeugt werden kann. Diese Erkenntnis ist wegweisend f\u00fcr die Entwicklung eines Wasserstoff-\u201aTanks\u2019, der in der Lage ist, wenige Kilogramm Wasserstoff bei geringem Druck und bei Raumtemperatur zu speichern. Funktionalisiertes Graphen sei f\u00fcr diese Anwendung \u00e4u\u00dferst vielversprechend, so Professor Schmid. <\/p>\n\n\n\n

Chemische Sensoren<\/h3>\n\n\n\n

Ein weiteres Anwendungsfeld f\u00fcr gro\u00dfe Graphen-Oberfl\u00e4chen sind chemische Sensoren, mit denen etwa seltene Inhaltsstoffe von Gasen nachgewiesen werden k\u00f6nnen. \u201cWenn Gasmolek\u00fcle an der Oberfl\u00e4che von Graphen-basierten Gas-Sensoren andocken, dann detektieren diese die Ver\u00e4nderungen in der elektrischen Leitf\u00e4higkeit der Graphen-Schicht. Abh\u00e4ngig vom Gasmolek\u00fcl gibt dieses dann entweder Elektronen an die Graphen-Schicht ab (Donator) oder es nimmt Elektronen aus der Graphen-Schicht auf (Akzeptor). Dieser Austausch von Elektronen ver\u00e4ndert die Leitf\u00e4higkeit der Graphenschicht. Aufgrund der ultra-d\u00fcnnen Graphen-Schicht ist dieses Messprinzip \u00e4u\u00dferst sensitiv und erm\u00f6glicht die Detektion einzelner Molek\u00fcle, erkl\u00e4rt Dr. Georg Pfusterschmied<\/a>, Mitarbeiter in Professor Schmids Forschungsgruppe und Co-Autor der Studie.<\/p>\n\n\n\n

Anwendung finden Gas-Sensoren in verschiedenen Branchen. Beispiele daf\u00fcr sind Brandmeldung, Leckage-Ortung, Emissionsmessung, Detektion von Kampfstoffen wie Sprengstoff oder Giftgas sowie Luftg\u00fctebestimmung in Innenr\u00e4umen.<\/p>\n\n\n\n

Auch interessant<\/strong>: Mit neuem Verfahren Materialschichten pr\u00e4zise perforieren<\/a><\/p>\n\n\n\n

Zur Publikation: <\/strong><\/p>\n\n\n\n

S. Veronesi et al., 3D arrangement of epitaxial graphene conformally grown on porousified crystalline SiC, Carbon 189, 210 (2022). https:\/\/www.sciencedirect.com\/science\/article\/abs\/pii\/S000862232101201X?via%3Dihub<\/a><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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