Инженеры разработали процесс производства высококачественного графена

Инженеры MIT (Массачусетский технологический институт) разработали непрерывный производственный процесс, который производит длинные полосы высококачественного графена.

Результаты команды являются первой демонстрацией промышленного, масштабируемого метода производства высококачественного графена, который предназначен для использования в мембранах для фильтрации различных молекул, включая соли, большие ионы, белки или наночастицы. Такие мембраны должны быть полезны для опреснения, биологического разделения и других применений.

«В течение нескольких лет исследователи думали о графене как о потенциальном пути к ультратонким мембранам, — говорит Джон Харт, адъюнкт-профессор машиностроения и директор лаборатории по производству в Массачусетском технологическом институте. «Мы считаем, что это первое исследование, которое разработало производство графена для мембранных применений, которые требуют, чтобы графен был бесшовным, полностью покрывал субстрат и был высокого качества».

Харт является старшим автором статьи, которая вышла в журнале Applied Materials and Interfaces. В исследование вошли Пиран Кидамби, который является доцентом Университета Вандербильта; Аспиранты Массачусетского технологического института (МИТ) Данушкоди Мариаппан и Николас Ди; Суй Чжан из Национального университета Сингапура; Андрей Вятских, бывший сотрудник Института науки и технологий Сколково; и Рохит Карник, адъюнкт-профессор машиностроения в Массачусетском технологическом институте.

Для многих исследователей графен идеально подходит для использования в фильтрационных мембранах. Один лист графена напоминает атомарно тонкую проволоку и состоит из атомов углерода, соединенных в узор, который делает материал чрезвычайно прочным и непроницаемым даже для самого маленького атома, гелия.

Исследователи разработали методы изготовления графеновых мембран с крошечными отверстиями или нанопорами, размер которых может быть адаптирован для фильтрации определенных молекул. По большей части ученые синтезируют графен через процесс, называемый химическим осаждением из паровой фазы, в котором они сначала нагревают образец медной фольги, а затем наносят на нее комбинацию углерода и других газов.

Графеновые мембраны в основном изготавливаются небольшими партиями в лаборатории, где исследователи могут тщательно контролировать условия роста материала. Однако Харт и его коллеги считают, что если графеновые мембраны когда-либо будут использоваться на коммерческой основе, их придется производить в больших количествах, с высокими показателями и с надежной производительностью.

Поэтому исследователи приступили к построению сквозного, начального и конечного производственного процесса, чтобы сделать качественную графеновую мембрану.

Установка команды сочетает в себе подход «roll-to-roll» — общий промышленный подход для непрерывной обработки тонких пленок — с использованием технологии изготовления графена химического осаждения из паровой фазы, для производства высококачественного графена в больших количествах и с высокой скоростью. Система состоит из двух катушек, соединенных конвейерной лентой, проходящей через небольшую печь. Первая катушка разворачивает длинную полосу медной фольги шириной менее 1 сантиметра. Когда она поступает в печь, фольга подается через первую трубку, а затем через другую, в виде «сплит-зоны».

В то время как фольга проходит через первую трубку, она нагревается до определенной идеальной температуры, после чего она готова к движению по второй трубке, где ученые закачивают в заданном соотношении метан и газообразный водород, которые осаждаются на нагретой фольге для производства графена.

«Графен начинает формироваться на маленьких островках, а затем эти острова растут вместе, чтобы сформировать сплошной лист», — говорит Харт. «К тому времени, когда он выходит из печи, графен должен полностью покрывать фольгу в одном слое».

Исследователи обнаружили, что они смогли непрерывно подавать фольгу через систему, производя высококачественный графен со скоростью 5 сантиметров в минуту. Их самый длинный цикл длился почти четыре часа, в течение которых они произвели около 10 метров непрерывного графена.

Больше информации: Piran R. Kidambi et al. A Scalable Route to Nanoporous Large-Area Atomically Thin Graphene Membranes by Roll-to-Roll Chemical Vapor Deposition and Polymer Support Casting, ACS Applied Materials & Interfaces (2018). DOI: 10.1021/acsami.8b00846