Forschungslabor BASF und Max-Planck-Institut für Polymerforschung weihen Forschungslabor für Graphen ein

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Tobias Hüser

BASF und das Max-Planck-Institut für Polymerforschung wollen die zweidimensionale Kohlenstoffschicht Graphen weiter erforschen und haben dafür ein gemeinsames Forschungslabor in Ludwigshafen eingeweiht. Um Graphen für Batterien und Superkondensatoren zu nutzen, versuchen die Wissenschaftler in dem Labor noch mehr Informationen über das dünnste Material der Welt zu erhalten.

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Vor mehr als 200 geladenen Gästen konnte man sich einen Eindruck davon machen, wie der aktuelle Forschungsstand rund um Graphen ist.
Vor mehr als 200 geladenen Gästen konnte man sich einen Eindruck davon machen, wie der aktuelle Forschungsstand rund um Graphen ist.
(Bild: Hüser)

Ludwigshafen – BASF hat gemeinsam mit dem Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPI-P) das erste Forschungslabor in Betrieb genommen, das BASF mit einem wissenschaftlichen Partner an einem Standort des Unternehmens betreibt. Für PROCESS Grund genug, bei der Einweihung des Carbon Materials Innovation Center (CMIC) in Ludwigshafen vorbeizuschauen, um mehr über das Wundermaterial Graphen zu erfahren.

Dr. Andreas Kreimeyer, Vorstandsmitglied der BASF und Sprecher der Forschung, bekannte sich in seinem Vortrag vor mehr als 200 geladenen Gästen zu der zweidimensionalen Kohlenstoffschicht: „Wir stehen am Anfang einer neuen Querschnittstechnologie, die zahlreiche Anwendungen revolutionieren und Innovationen ermöglichen wird. Mit dem CMIC wollen wir zusammen mit unseren Partnern die Materialien besser kennenlernen, um die Einsatzmöglichkeiten für nachhaltige Anwendungen beurteilen zu können.

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Einsatzgebiete von Graphen

Welche Ziele BASF in Zukunft mit dem Labor erreichen will, konkretisierte Dr. Harald Lauke, President Biological & Effect Systems Research: Zunächst sollen Wege gefunden werden, wie man Graphen als Beschichtungen, Antistatika und Grenzschichten nutzen kann. Die Wissenschaftler im CMIC sollen aber auf lange Sicht vor allem herausfinden, wie das Material Batterien, Superkondensatoren, Brennstoffzellen und Katalysatoren veredeln kann und als transparente leitfähige Schicht einsetzbar ist. Auf Solarzellen und Touchscreens verändert die Schicht die Lichtdurchlässigkeit.

Friedrich Seitz, President Process Research & Chemical Engineering, zeigte sich im Anschluss ebenfalls überzeugt, dass Graphen die Leistung von Lithiumionen-Batterien und Kondensatoren deutlich verbessern kann. Er betonte, dass sich die weltweiten Forschungsarbeiten mit Graphen stark auf die Energiespeicherung konzentrieren.

Eine zwölfköpfige internationale Arbeitsgruppe wird Graphen in dem 200 Quadratmeter großen Labor synthetisieren und charakterisieren sowie Anwendungsmöglichkeiten im Energie- und Elektronikbereich erforschen. Die Investitionssumme für die Entwicklungsplattform beträgt 10 Millionen Euro. Die Kooperation ist zunächst für drei Jahre geplant.

Rundgang durchs Labor

Ein Rundgang durch das Labor ließ erahnen, was in den nächsten drei Jahren dort passieren wird: Über eine chemische Gasphasenabscheidung (CVD, Chemical Vapour Deposition) wollen die Forscher großflächige transparente Graphen-Lagen herstellen, indem eine monoatomare Schicht aus Kohlenstoff auf einer Folie aus reaktivem Metall aufgewachsen und das Trägermaterial dann aufgelöst wird. Diese Kohlenstoffschichten könnten dann für organische Leuchtdioden oder organische Solarzellen verwendet werden.

Die Wissenschaftler stellen in dem Labor auch Nanoribbons her. Diese Graphen-Nanobänder besitzen eine Bandlücke – sind also kohlenstoffbasierte Halbleiter – und könnten langfristig elektronische Bauteile auf Basis von Silzium ersetzen. Durch synthetische Verfahren lassen sich die Materialien im CMIC unter Ausschluss von Sauerstoff und Feuchtigkeit produzieren.

Um die Graphen-Schichten zu charakterisieren, nutzt der Forschungsverbund ein Rasterkraftmikroskop (AFM) mit integriertem Ramanmikroskop. Die verschiedenen analytischen Fähigkeiten des Gerätes bieten nicht nur eine hohe Flexibilität bei der Ermittlung der entscheidenden Eigenschaften, sondern spielen auch eine wichtige Rolle bei der Festlegung der Qualitätsstandards für die vorgesehene Anwendung der synthetisierten Proben.

Abschließend erläuterten die Forscher, wie Graphen und andere kohlenstoffbasierte Materialien zukünftig die Leistungsfähigkeit von Batterien und anderen Energiespeichern erhöhen soll. Sie setzen dabei die Kohlenstoffschicht unter Argon-Atmosphäre in Testbatterien ein und untersuchen, ob sich die Energiespeicher dadurch verbessern.

Forschungskooperation bereits seit 2008

Das MPI-P und BASF erforschen schon seit dem Jahr 2008 gemeinsam das Kohlenstoffmaterial Graphen. Erst vor zwei Jahren hatten die russischen Forscher Andre Greim und Konstantin Novoselov für Experimente im Bereich der Grundlagenforschung an Graphen den Chemie-Nobelpreis erhalten. Prof. Dr. Klaus Müllen, Direktor am MPI-P, berichtete bei der Eröffnung des Labors von den Fortschritten in der Synthese definierter Graphen-Nanobänder. Nur in dieser Form verfügt das Material über seine spezifischen Halbleitereigenschaften. Müllen betonte das große Potential der ultimativen Membran: „Graphen leitet Strom und Wärme sehr gut, ist zudem ultraleicht und gleichzeitig sehr hart. Außerdem ist es chemisch sehr stabil, dehnbar und praktisch durchsichtig.“

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