Reaktive Fluide

Zu den industriellen Anwendungen von Graphen gehören die Entwicklung von Batterien, Superkondensatoren, Elektrokatalysatoren, Sensoren oder Fotodetektoren, für die Materialien mit funktionalen, flexiblen und elektrochemisch stabilen Eigenschaften erforderlich sind. Die Herstellung von Graphen erfordert in der Regel Prozesse mit hohem Energieaufwand und einer präzisen Kontrolle der Synthesebedingungen. Katalytische oder substratbasierte Techniken zur Graphen-Synthese erfordern zusätzliche Prozessschritte zur Reinigung oder Trennung. Um den Einsatz von Katalysatoren oder Substraten zu vermeiden, die Prozesssteuerung zu vereinfachen und die Ausbeute und Produktivität zu verbessern, untersuchen wir neue substratfreie Synthesemethoden.

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​Die mikrowellenunterstützte Gasphasensynthese von Graphen als kontinuierlicher Prozess ist einer der skalierbarsten Produktionswege zur Gewinnung von substratfreien Graphenflocken für hochwertige Materialien. Plasmen bieten durch das Vorhandensein oder die Bildung von Radikalen, Ionen und Elektronen eine hochenergetische Umgebung. In einem Mikrowellen-Plasmareaktor (Abbildung 1) gelangen die Vorläufer in den Kopplerbereich und zerfallen dort in kleinere reaktive Fragmente wie C, H, H₂, C₂, C₂H₂ und CO. Diese Spezies strömen dann in eine kältere Keimbildungszone, wo sie reagieren und Keime bilden, die schnell zu Graphen heranwachsen.

Allerdings schränken Herausforderungen hinsichtlich der Kontrolle der Anzahl der Graphenschichten, der Defektdichte und der Produktionsausbeute nach wie vor die praktischen Anwendungen ein, sodass ein besseres Verständnis des Mechanismus der Graphenbildung durch diesen Prozess erforderlich ist. Darüber hinaus ist während der Mikrowellen-Gasphasenplasmasynthese die kinetische Konkurrenz zwischen Ruß- und Graphenbildung eine weitere wiederkehrende Herausforderung, und bisher liegen keine detaillierten Informationen über die Mechanismen der Keimbildung und des Wachstums von Graphen vor.

In unserer Gruppe werden die oben genannten Herausforderungen zunächst durch die Identifizierung kritischer Schritte oder Prozesse in den Reaktionssystemen angegangen, indem die Gasphasenreaktionen verfolgt und in situ sowie ex situ diagnostiziert werden. Anschließend werden die Reaktionsbedingungen und damit die Ausbeute und Qualität der Flocken kontrolliert. Einige der wichtigsten Schritte und Prozesse sind empfindlich gegenüber Variablen wie den Eigenschaften und der Konzentration der Vorläufer, die einen direkten Einfluss sowohl auf die Wachstums- und Zersetzungskinetik als auch auf die Massen- und Wärmeübertragungsprofile haben. Ein vorrangiges Ziel besteht darin, die Reaktions- und Prozessbedingungen zu beschreiben, unter denen Graphen und/oder andere kohlenstoffhaltige Materialien entstehen, und anschließend die folgenden Diagnosen durchzuführen, um die Kinetik der Graphenbildung im Frühstadium zu verstehen.

Die Charakterisierung der Gasphase erfordert ein Verständnis der Bildungskinetik, wofür einige Diagnosemethoden zur In-situ-Charakterisierung in Betracht gezogen werden [1-3]. Verschiedene Diagnosemethoden erleichtern unser Verständnis der Kinetik und der Transportprozesse, die der Flockenbildung und dem Flockenwachstum zugrunde liegen. In-situ-Optikdiagnosen für Partikel, Temperatur und Spezieskonzentration werden mit der Inline-Analyse von Zwischenprodukten mittels Massenspektrometrie und der ex-situ-Charakterisierung der Produkte kombiniert.

Literatur

[1]        C.F. López-Cámara, P. Fortugno, M. Asif, S. Musikhin, C. Prindler, H. Wiggers, T. Endres, N. Eaves, K.J. Daun, C. Schulz, Evolution of particle size and morphology in plasma synthesis of few-layer graphene and soot. Combust Flame 258 (2023) 112713. https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2023.112713

[2]       P. Fortugno, S. Musikhin, X. Shi, H. Wang, H. Wiggers, C. Schulz, Synthesis of freestanding few-layer graphene in microwave plasma: The role of oxygen. Carbon 186 (2022) 560–73. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2021.10.047

[3]       S. Musikhin, P. Fortugno, J.C. Corbin, G.J. Smallwood, T. Dreier, K.J. Daun C. Schulz, Characterization of few-layer graphene aerosols by laser-induced incandescence. Carbon 167 (2020) 870–80. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.05.052

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Die Gasphasensynthese stellt die neueste Entwicklung im Bereich der modernen Materialsynthesetechniken dar und ermöglicht eine schnelle, skalierbare und umweltfreundliche Herstellung von Graphen mit hoher Reinheit. Graphenbasierte Verbundwerkstoffe und Heterostrukturen bieten aufgrund ihrer einzigartigen strukturellen Zusammensetzung und außergewöhnlichen Eigenschaften vielversprechende Aussichten für eine Revolutionierung elektrochemischer Energiespeichertechnologien wie Lithium-Ionen-Batterien (LIB) und Natrium-Ionen-Batterien (SIB). In unserem Labor erzeugen wir diese Strukturen durch die Integration von gasphasensynthetisiertem Graphen mit Nanopartikeln aus Materialien wie Si und Ti, die mehrere wichtige Vorteile bieten, die die Batterieleistung erheblich verbessern können [1-3]. Freistehendes, in der Gasphase plasmasynthetisiertes wenige Schichten dickes Graphen bietet im Vergleich zu reduziertem Graphenoxid eine höhere Leitfähigkeit und eine größere spezifische Oberfläche. Diese Eigenschaft verbessert die Kapazität, die Leistungsfähigkeit und die Stabilität von Anodenmaterialien auf Graphenbasis für LIBs und SIBs zusätzlich.

Graphenbasierte Heterostrukturen sind vielversprechend für die Weiterentwicklung der Batterietechnologie und haben Auswirkungen auf vielfältige Anwendungen, die von tragbaren Elektronikgeräten über Elektrofahrzeuge bis hin zu Energiespeichersystemen für Stromnetze reichen. Kontinuierliche Forschungsanstrengungen in diesem Bereich sollen die bestehenden Einschränkungen von Batterien beseitigen und die Entwicklung nachhaltiger Energiespeicherlösungen vorantreiben.

In unserem Batterielabor untersuchen wir die Leistungsfähigkeit von Elektrodenmaterialien, beispielsweise durch elektrochemische Zyklen- und Impedanzmessungen, um Materialien zu entwickeln, die eine verbesserte Batterieleistung ermöglichen.

Literatur

[1] A. Münzer, L. Xiao, Y.H. Sehlleier, C. Schulz, H. Wiggers, All gas-phase synthesis of graphene: Characterization and its utilization for silicon-based lithium-ion batteries, Electrochimica Acta 272 (2018) 52-59. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2018.03.137

[2] A. Al-Kamal, M. Hammad, M. Yusuf Ali, S. Angel, D. Segets, C. Schulz, H. Wiggers, Titania/graphene nanocomposites from scalable gas-phase synthesis for high-capacity and high-stability sodium-ion battery anodes, Nanotechnology 35 (2024)225602. https://doi.org/10.1088/1361-6528/ad2ac7

[3] L. Xiao, M. Schroeder, S. Kluge, A. Balducci, U. Hagemann, C. Schulz, H. Wiggers, Direct self-assembly of Fe₂O₃/reduced graphene oxide nanocomposite for high-performance lithium-ion battery, Journal of Mater. Chem A 3 (2015) 11566-11574. https://doi.org/10.1039/C5TA02549