Grafeen is wellicht op industriële schaal te produceren door grafiet te behandelen met fosforzuur. En dan heb je het echt over grafeen en niet over grafeenoxide of zoiets, verraadt een publicatie in Nature Chemistry.

De moleculen van dat fosforzuur, of een ander simpel Brønstedzuur, dringen als een soort wig tussen de koolstoflagen van dat grafiet. De onderlinge bindingen tussen die lagen, die toch al niet zo sterk zijn, worden hierdoor verder verzwakt. Resultaat: het grafiet is ter plekke gemakkelijk te splijten. Gebeurt dit bij opeenvolgende lagen, dan hou je velletjes enkellaags grafeen over.

Dat je grafiet zo kunt splijten is al in 1840 voor het eerst waargenomen. Maar tot nu toe dacht men dat het alleen lukte met een sterke oxidator, die niet alleen tussen de koolstof dringt maar er ook mee reageert. Zo krijg je dus nooit zuiver grafeen in handen maar altijd een deels geoxideerde vorm, waar je in de praktijk een stuk minder aan hebt.

Nina Kovtyukhova en Thomas Mallouk (Penn State University) hebben nu echter ontdekt dat het ook lukt met een zuur dat helemaal niet oxideert. Fosforzuur werkt het best, maar met dichloorazijnzuur, zwavelzuur of methaan-, ethaan- of propaansulfonzuur lukt het ook.

De clou is daarbij dat je je grafietdeeltjes moet dispergeren in een waterige oplossing van zo’n zuur, die je vervolgens net zo lang verhit totdat al het water is verdampt. Pas dán blijken de inmiddels neutrale moleculen in het grafiet te dringen.

Dispergeer je het met zuur geladen grafiet vervolgens in een sterk polair oplosmiddel zoals dimethylformamide, dan komen de lagen los van elkaar. Volgens de onderzoekers kun je een mix van laagdiktes verwachten: enkellaags grafeen overheerst maar er zitten ook wat resten tussen van twee of meer koolstofatomen dik.

Dichtheidsfunctionaaltheoretische berekeningen hebben achteraf bevestigd dat het ook in theorie werkt.

Vorig jaar meldde Kovtyukhova al in JACS dat boornitride op dezelfde manier is te splijten. Ze had echter niet verwacht dat het met grafiet ook zou lukken, omdat in alle boeken stond dat je daar echt een oxidator voor nodig had. Om haar zo ver te krijgen dat ze het toch probeerde, maakte Mallouk er een weddenschap van: hij zou haar 100 dollar betalen als het niet lukte, en zij hem 10 dollar als het wél werkte.

‘Dat tiendollarbiljet hangt nu bij me aan de muur met een Post-itje waarop Nina me complimenteert met mijn chemische intuïtie’, aldus een glunderende Mallouk.

bron: Penn State