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Forscher der Rice University in Houston, Texas, präsentieren eine neue Methode zur Herstellung von leitfähigen 3D-Objekten aus Graphenschaum. Mit diesem Material lassen sich starke, haltbare sowie leichtgewichtige Objekte für eine Vielzahl an Anwendungen herstellen.
Bereits im vergangenen Jahr starteten die Bemühungen der Rice University, starkes jedoch leichtgewichtiges Graphenmaterial in großen Mengen herzustellen. Dies gelang der Universität in Form eines Graphenschaum.
Diese neue Technik basiert auf einer innovativen Universitätsarbeit aus dem Jahr 2014, im Rahmen welcher es Forschern gelang, laserinduziertes Graphen (LIG) zu produzieren. Mit LIG war es den Forschern möglich, mikroskopische 2D-Muster auf beispielsweise Nahrungs- oder Holz-Oberflächen herzustellen. Jedoch eignete sich dieses Verfahren nach Aussage von James Tour, einem Chemiker der Rice University, nicht zur Herstellung von 3D-Objekten.
“Jetzt haben wir eine Prototyp-Maschine gebaut, die es uns ermöglicht, Graphen durch automatisches aufeinanderfolgendes Schichten und Laserbelichten zu 3D-Objekten zu formen. Dies bringt Graphen wirklich in die dritte Dimension ohne Öfen oder die Notwendigkeit von Metallkatalysatoren, und unser Prozess ist leicht skalierbar”, kommentiert Tour.
Neben der Universitätsarbeit aus dem Jahr 2014 basiert diese neue Methode überdies auf der Herstellung von laminierten Gegenständen. Hierbei werden diverse Schichten eines Materials zusammengefügt und in weiterer Folge mit einem Laser in die gewünschte Form geschnitten.
Die Forschung über diese neue Art der Graphenherstellung wurde bereits in der Zeitschrift Advanced Materials unter dem Titel “Laminated Object Manufacturing of 3D-Printed Laser-Induced Graphene Foams” publiziert.
Ein Auszug verrät mehr über die Arbeit mit laserinduziertem Graphen:
“Laserinduziertes Graphen (LIG), eine Graphenstruktur, die in einem einstufigen Prozess durch Laserbehandlung eines kommerziellen Polyimid (PI) -Films in einer Umgebungsatmosphäre synthetisiert wurde, hat sich als vielseitiges Material für Anwendungen von der Energiespeicherung bis zur Wasseraufbereitung erwiesen. Das entwickelte Verfahren erzeugt jedoch nur ein 2D-Produkt auf dem PI-Substrat. Hier wird ein 3D-LIG-Schaumdruckverfahren auf der Basis der laminierten Objektherstellung, einer weit verbreiteten additiven Fertigungstechnik, entwickelt. Ein subtraktives Laser-Fräsverfahren zur weiteren Verfeinerung der 3D-Strukturen wird ebenfalls entwickelt und gezeigt. Durch die Kombination beider Techniken werden verschiedene 3D-Graphenobjekte gedruckt. Die LIG-Schaumstoffe weisen eine gute elektrische Leitfähigkeit und mechanische Festigkeit auf und sind in verschiedenen Energiespeicher- und flexiblen elektronischen Sensoranwendungen einsetzbar.”
In anderen Worten: Während die unterste LIG-Schicht an der Polyimidbasis haftet, wird eine weitere Schicht, welche mit Ethylenglykol beschichtet wurde, mit der Vorderseite nach Unten auf die LIG-Basisschicht gelegt. In weiterer Folge wird das Polyimidoberteil in Graphen gebrannt. Dieser Vorgang wird so oft wiederholt, bis ein 3D-Block dabei entsteht. Die genutzten Ethylenglycolbindemittel werden in einem nächsten Schritt auf einer heißen Platte verdampft, während das verbleibende Polyimid in einem Ofen geschmolzen wird. Hierbei entsteht schlussendlich ein Schwamm-ähnlicher Kohlenstoffblock.
Im Rahmen der neuesten Forschungen in Bezug auf Graphenschaum stapelten die Rice-Forscher bis zu fünf dieser LIG-Schichten. Die daraus entstandenen Kohlenstoffblöcke wurden unter Verwendung eines maßgeschneiderten Faserlasersystems auf einem modifizierten 3D-Drucker in weiterer Folge in komplexe Formen gebracht. Um die Schwamm-ähnliche Textur der 3D-Objekte zu verfestigen, ohne dabei die komplette Flexibilität einzubüßen, infundierten die Forscher flüssiges Polydimethylsiloxan in die 3D-LIG-Blöcke.
Überdies gelang es den Forschern Proof-of-Concept-Lithium-Ionen-Kondensatoren zu entwickeln, welche 3D laserinduziertes Graphen als Kathoden sowie Anoden verwendeten. Hierbei stellte sich heraus, dass die gravimetrische Kapazität der Kathode den Durchschnitt ähnlicher Kohlenstoffmaterialien überstieg, während die 354 Milliamperestunden pro Gramm Kapazität der Anode annähernd bei der theoretischen Grenze des Graphits lag. Nach rund tausend Ladungen beziehungsweise Entladungen wies das Material immer noch knapp 70% der Kapazität auf.
“Dies ist eine hervorragende Leistung in diesen Lithium-Ionen-Kondensatoren der neuen Generation, die die besten Eigenschaften von Lithium-Ionen-Batterien und Kondensator-Hybriden erfassen,” erklärt Tour.
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