Skalerbar fremstillingsproces spoler strimler af grafen ud til brug i ultratynde membraner

MIT ingeniører har udviklet en kontinuerlig fremstillingsproces, der producerer lange strimler af grafen af ​​høj kvalitet.

Teamets resultater er den første demonstration af en industriel, skalerbar metode til fremstilling af grafen af ​​høj kvalitet, der er skræddersyet til brug i membraner, der filtrerer en række forskellige molekyler, herunder salte, større ioner, proteiner, eller nanopartikler. Sådanne membraner bør være nyttige til afsaltning, biologisk adskillelse, og andre applikationer.

"For flere år, forskere har tænkt på grafen som en potentiel vej til ultratynde membraner, "siger John Hart, lektor i maskinteknik og direktør for Laboratory for Manufacturing and Productivity på MIT. "Vi mener, at dette er den første undersøgelse, der har skræddersyet fremstillingen af ​​grafen til membranapplikationer, som kræver, at grafenet er sømløst, dække substratet helt, og være af høj kvalitet. "

Hart er seniorforfatter på papiret, som vises online i journalen Anvendte materialer og grænseflader . Undersøgelsen omfatter første forfatter Piran Kidambi, en tidligere MIT postdoc, der nu er adjunkt ved Vanderbilt University; MIT -kandidatstuderende Dhanushkodi Mariappan og Nicholas Dee; Sui Zhang fra National University of Singapore; Andrey Vyatskikh, en tidligere studerende ved Skolkovo Institute of Science and Technology, der nu er på Caltech; og Rohit Karnik, en lektor i maskinteknik på MIT.

Voksende grafen

For mange forskere, grafen er ideel til brug i filtreringsmembraner. Et enkelt ark grafen ligner atomisk tyndt kyllingetråd og består af carbonatomer, der er forbundet i et mønster, der gør materialet ekstremt hårdt og uigennemtrængeligt for selv det mindste atom, helium.

Forskere, herunder Karniks gruppe, har udviklet teknikker til at fremstille grafenmembraner og præcist gåte dem med små huller, eller nanoporer, hvis størrelse kan skræddersys til at filtrere specifikke molekyler. For det meste, forskere syntetiserer grafen gennem en proces kaldet kemisk dampaflejring, hvor de først opvarmer en prøve af kobberfolie og derefter deponerer en kombination af kulstof og andre gasser på den.

Grafenbaserede membraner er for det meste blevet fremstillet i små partier i laboratoriet, hvor forskere omhyggeligt kan kontrollere materialets vækstbetingelser. Imidlertid, Hart og hans kolleger mener, at hvis grafenmembraner nogensinde skal bruges kommercielt, skal de produceres i store mængder, til høje takster, og med pålidelig ydelse.

"Vi ved, at for industrialisering, det skulle være en kontinuerlig proces, "Siger Hart." Du ville aldrig være i stand til at lave nok ved bare at lave stykker. Og membraner, der bruges kommercielt, skal være temmelig store-nogle så store, at du bliver nødt til at sende et plakatdækkende folieark ind i en ovn for at lave en membran. "

En udrulning fra fabrikken

Forskerne satte sig for at bygge en ende-til-ende, start-til-slut fremstillingsproces til fremstilling af membran-kvalitet grafen.

Teamets setup kombinerer en roll-to-roll tilgang-en almindelig industriel tilgang til kontinuerlig behandling af tynde folier-med den almindelige grafenfremstillingsteknik til kemisk dampaflejring, at fremstille grafen af ​​høj kvalitet i store mængder og med en høj hastighed. Systemet består af to spoler, forbundet med et transportbånd, der løber gennem en lille ovn. Den første spole folder en lang stribe kobberfolie ud, mindre end 1 centimeter bred. Når den kommer ind i ovnen, folien føres gennem først et rør og derefter et andet, i et "split-zone" design.

Mens folien ruller gennem det første rør, det varmer op til en bestemt ideel temperatur, på hvilket tidspunkt den er klar til at rulle gennem det andet rør, hvor forskerne pumper et bestemt forhold mellem metan og hydrogengas, som afsættes på den opvarmede folie for at producere grafen.

"Graphene begynder at danne sig på små øer, og derefter vokser disse øer sammen til et kontinuerligt ark, "Hart siger." Da det er ude af ovnen, grafen skal dække folien fuldt ud i et lag, lidt som en kontinuerlig seng med pizza. "

Da grafen forlader ovnen, den rulles på den anden spole. Forskerne fandt ud af, at de var i stand til at fodre folien kontinuerligt gennem systemet, producerer grafen af ​​høj kvalitet med en hastighed på 5 centimeter i minuttet. Deres længste løb varede næsten fire timer, hvorunder de producerede omkring 10 meter kontinuerligt grafen.

"Hvis dette var på en fabrik, det ville køre 24-7, "Siger Hart." Du ville få store spoler folie til at trænge igennem, som en trykpresse. "

Fleksibelt design

Once the researchers produced graphene using their roll-to-roll method, they unwound the foil from the second spool and cut small samples out. They cast the samples with a polymer mesh, or support, using a method developed by scientists at Harvard University, and subsequently etched away the underlying copper.

"If you don't support graphene adequately, it will just curl up on itself, " Kidambi says. "So you etch copper out from underneath and have graphene directly supported by a porous polymer—which is basically a membrane."

The polymer covering contains holes that are larger than graphene's pores, which Hart says act as microscopic "drumheads, " keeping the graphene sturdy and its tiny pores open.

The researchers performed diffusion tests with the graphene membranes, flowing a solution of water, salts, and other molecules across each membrane. They found that overall, the membranes were able to withstand the flow while filtering out molecules. Their performance was comparable to graphene membranes made using conventional, small-batch approaches.

The team also ran the process at different speeds, with different ratios of methane and hydrogen gas, and characterized the quality of the resulting graphene after each run. They drew up plots to show the relationship between graphene's quality and the speed and gas ratios of the manufacturing process. Kidambi says that if other designers can build similar setups, they can use the team's plots to identify the settings they would need to produce a certain quality of graphene.

"The system gives you a great degree of flexibility in terms of what you'd like to tune graphene for, all the way from electronic to membrane applications, " Kidambi says.

Looking forward, Hart says he would like to find ways to include polymer casting and other steps that currently are performed by hand, in the roll-to-roll system.

"In the end-to-end process, we would need to integrate more operations into the manufacturing line, " Hart says. "For now, we've demonstrated that this process can be scaled up, and we hope this increases confidence and interest in graphene-based membrane technologies, and provides a pathway to commercialization."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.