Inovativní metoda přípravy redukovaného oxidu grafenu

Dr. Krumpolec se svými kolegy představuje inovativní metodu přípravy vrstev grafen oxidu a jeho redukci pomocí atmosférického plazmatu. Výsledkem řešeného PoC projektu je několik funkčních vzorků včetně nově zkonstruovaného zařízení pro výrobu aerogelu-podobných vysokoporézních vrstev na bázi oxidu grafenu. Projekt byl úspěšně ukončen v březnu letošního roku.

17. 10. 2022 Tereza Schmidtová

RNDr. Richard Krumpolec, PhD.

Další posun ve výzkumu a vývoji plazmových úprav představuje RNDr. Richard Krumpolec, PhD. z výzkumné skupiny Plazmové nanotechnologie a bioaplikace Ústavu fyzikální elektroniky a R&D centra CEPLANT. Inovativní metoda přípravy redukovaného oxidu grafenu je jedním z výsledků ukončeného PoC projektu „Zařízení pro přípravu a plazmovou modifikaci aerogelů na bázi redukovaného grafen oxidu”. Dr. Krumpolec se svým doktorským studentem Mgr. Františkem Zelenákem na výzkumu pracoval od října 2020 do letošního března.

Grafen oxid (GO) a redukovaný grafen oxid (rGO) jsou podobně jako uhlíková nanovlákna materiály budoucnosti a mají široké spektrum použití. rGO má velký aplikační potenciál v elektronických a optoelektronických aplikacích (vysoce vodivé elektrické vrstvy, elektrody baterií, solární články, stínění elektromagnetického pole). rGO je zajímavý i pro filtraci vody, biosenzory nebo senzory plynů. Neméně důležité je použití rGO v elektricky vodivých polymerních kompozitech nebo bariérových vrstvách pro zadržování vodíku. rGO je považován za perspektivní materiál pro masovou a levnou výrobu.

Standardní metody přípravy rGO jsou dlouhotrvající chemické nebo termální procesy probíhající za vysokých teplot (stovky °C) a přítomnosti různých plynů. Náročnost přípravy i využití drahých nebo vzácných plynů jsou dostatečnou motivací pro hledání nových metod redukce GO na rGO. Cílem projektu dr. Krumpolce bylo navrhnout a zkonstruovat zařízení pro výrobu vysoce porézních aerogelu-podobných vrstev na bázi grafen oxidu. Inovativní metoda přípravy vrstev GO a také využití nízkoteplotního neizotermického plazmatu pro redukci GO na plazmatem rGO jsou klíčovými body výzkumného projektu. Mezi unikátní vlastnosti vyvinuté technologie patří využití běžných pracovních plynů (dusík, vzduch), iniciace procesu proměny GO na rGO při nízké teplotě (menší než 100 °C) a rychlost procesu – typicky několik stovek milisekund.

Grafen oxid je nevodivý materiál. Plazmatem iniciovaná redukce materiálu však způsobuje zásadní zlepšení elektrické vodivosti. „My vlastně tak trochu vracíme tomu materiálu grafenu-podobné vlastnosti. Zlepšení vodivosti je neuvěřitelně o šest řádů!” komentuje dr. Krumpolec. Kromě plazmatem iniciované redukce materiálu dochází současně k exfoliaci jednotlivých vloček grafen oxidu. Tímto se materiál stává velice porézním (plošná hustota je větší než 500 m2/g) a právě to má veliký aplikační potenciál.

a) vysoce porézní GO koláček z vodní disperze oxidu grafenu; b) velmi lehký, porézní koláček aerogelu na chmýří pampelišky; c) schéma velice rychlé redukce a exfoliace GO koláčku doprovázené změnou barvy; d) neupravený GO koláček hnědé barvy; e) černý rGO koláček po redukci a exfoliaci plazmatem; f) lisováním vyrobený velmi tenký rGO sheet; g) samonosný rGO sheet během manipulace; h) a i) porovnání elektrické vodivosti GO a rGO sheetu jednoduchým testem s LEDkou a baterií

Unikátní vlastností této technologie, oproti jiným známým metodám, je zachování původní fyzické podoby materiálu bez jeho destrukce během rychlé exfoliace. Dr. Krumpolec doplňuje: „Obrovskou výhodou je možnost škálování technologie pro průmysl. Když jsme s výzkumem začínali, naše vzorky byli veliké asi 1 cm2. Teď připravujeme vzorky podstatně větší – až 15 x 30 cm a jedinou limitací je v podstatě velikost výrobního zařízení.”

Výstupem úspěšně ukončeného projektu jsou tři aplikované výsledky. Jedním je funkční vzorek zařízení, tedy komory pro přípravu a následnou plazmovou modifikaci aerogelů na bázi rGO. Druhým funkčním vzorkem je finální materiál, tzv. rGO sheet. Nad rámec projektu se vědcům také podařilo vytvořit třetí funkční vzorek aparatury, kterým prokázali možnosti vyvinuté technologie pro kontinuální in-line výrobu rGO. V roce 2021 vědci podali národní patentovou přihlášku, nedávno také mezinárodní patentovou přihlášku a publikovali článek v odborném časopisu FlatChem - Chemistry of Flat Materials.

I po skončení projektu se dr. Krumpolec s kolegy nadále věnuje tomuto tématu a dalšímu rozvoji technologie pro širokou škálu průmyslových aplikací. “Následující výzkum bude probíhat v několika úrovních. Nejzásadnější bude spolupráce s průmyslovými partnery při dalším rozvoji a hlavně komercializaci technologie. Najít aplikačního partnera je pro nás hlavní prioritou. Velmi slibně se jeví například spolupráce v oblasti aerospace průmyslu. Na poli základního výzkumu budeme dále pracovat na pochopení fyzikální podstaty procesu rychlé plazmatem iniciované redukce GO, kterému ještě stále plně nerozumíme,” říká dr. Krumpolec.

finální tenká rGO fólie


Více článků

Přehled všech článků

Používáte starou verzi internetového prohlížeče. Doporučujeme aktualizovat Váš prohlížeč na nejnovější verzi.

Další info