Fysiker tar fram stabila vattenbaserade grafendispersioner

Umeåforskare visar hur aktiverat grafen, aktiverat kol och andra hydrofoba kolsorter kan lösas upp i vatten i form av partiklar av mikrometerstorlek. Det viktigaste medlet som hjälper till att göra dessa dispersioner stabila i dagar är den oxiderade formen av grafen, grafenoxid. Författarna har ansökt om patent för metoden.

Grafen, grafit, aktiverade kol är helt olika former av kol men vad som är vanligt för dem är deras hydrofoba egenskaper. Det är omöjligt att lösa upp dessa material i vatten direkt. Å andra sidan är det en stor fördel att använda dispersioner eller lösningar för många applikationer. Idealt vore att kunna spraya eller måla grafendispersion på metallfolie och förbereda till exempel elektrodmaterial genom att helt enkelt torka det.

Forskare har sökt efter bra metoder för att framställa dispersioner med grafenrelaterat material under många år. Den hittills vanligaste metoden är att använda organiska lösningsmedel och mycket stark mekanisk behandling, till exempel sonikering under lång tid. Organiska lösningsmedel är emellertid ofta giftiga medan mekanisk behandling inte bara är tids- och energikrävande utan också introducerar en hel del defekter som negativt påverkar materialets konduktivitet.

Forskare från Umeå universitet har hittat en enkel och miljövänlig lösning på problemet i form av oxiderad grafen, grafenoxid. Grafenoxid är hydrofil och lätt att lösa i vatten.

– Det vi upptäckte är att stabila vattendispersioner kan framställas genom att lägga till en viss mängd grafenoxid till olika hydrofoba kolmaterial, säger Alexandr Talyzin, docent på Institutionen för fysik vid Umeå universitet.

Forskarlaget testade metoden för kol med hög ytarea så som grafen, aktiverat grafen, porös eller aktiverat kol. Dispersionerna var stabila även efter ett antal dagar. När de tillsatte kolnanorör i dispersionen visade det sig vara bra för framställning av elektroder till superkondensatorer. Dispersionen applicerades på metallfolie, torkades och upphettades till 200 °Celsius. Alla dessa steg skulle enkelt kunna skalas upp till industriell produktion menar forskarna.

– Det vi får i slutändan är en tunn film av ledande elektrodmaterial med hög ytarea, god konduktivitet och utmärkt prestanda vid lagring av elektricitet i superkondensatorer. Den höga ytarean tillhandahålls av mikrometerpartiklarna av till exempel aktiverad grafen, medan nanorör och termiskt reducerad grafenoxid ger god elektrisk kontakt mellan partiklarna, säger Alexandr Talyzin.

Dispersionerna kan även vara användbara för många andra tillämpningar, till exempel som bläck för tryckning, skyddande beläggningar och ledande färger.

Forskningen finansieras av EU Graphene Flagship, ett enormt internationellt projekt som syftar till att föra grafen till marknaden. Forskare har också fått mycket stöd från Umeå universitet. Metoden för framställning av aktiverade grafendispersioner tyckts också vara värd att patentera.

– Det gick förvånansvärt smidigt och snabbt när jag kontaktade Innovationskontoret vid Umeå universitet. Vi fick enormt mycket hjälp på kort tid tack vare experter som Daniel Hoffman och hans kollegor. Medan den vetenskapliga artikeln granskades kunde vi fylla i ansökan om patent.

Studien är publicerad i Journal of Physical Chemistry Letters.

Detta projekt har fått finansiering från Europeiska unionens forsknings- och innovationsprogram, Horizon 2020, Graphene Flagship enligt bidragsavtal nr 785219.

Originalartikel:

Skrypnychuk, V., Boulanger, N., Nordenström, A., Talyzin, A.V.: Aqueous Activated Graphene Dispersions for Deposition of High Surface Area Supercapacitor Electrodes. Journal of Physical Chemistry Letters. March 12, 2020

https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.0c00272

För mer information, kontakta gärna:

Alexandr Talyzin, Institutionen för fysik vid Umeå universitet
Mobil: 072-508 26 06
E-post: alexandr.talyzin@umu.se