05.04.2022 - Kansas State University

Ein großer Knall: Graphen- und Wasserstoffforschung führt zu neuem Unternehmen

Ein einfacher neuer Weg zur Herstellung von Graphen

Es ist eine echte Erfolgsgeschichte der Forschung: Die explosive Graphen- und Wasserstoffforschung der Kansas State University hat sich in ein erfolgreiches internationales Unternehmen verwandelt, HydroGraph Clean Power Inc. Das Unternehmen ging kürzlich an die kanadische Wertpapierbörse und bereitet sich auf ein jahrzehntelanges Wachstum als wichtiges Forschungs- und Entwicklungszentrum vor.

HydroGraph und die K-State-Forschung nutzen eine einfache neue Methode zur Herstellung von Graphen: Man gibt Acetylen und Sauerstoff in eine kleine Kammer und erzeugt eine kontrollierte Detonation, bei der mit einem einzigen Funken große Mengen an Graphen entstehen.

Graphen ist eine ein Atom dicke, zweidimensionale Schicht aus hexagonal koordinierten Kohlenstoffatomen, was es zum dünnsten Material der Welt macht und ihm wertvolle physikalische und elektronische Eigenschaften verleiht. Graphen hat zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten, z. B. zur Verstärkung von hochfesten Metallen, zur Verstärkung von Beton, zur Verbesserung von Biomaterialien und zur Revolutionierung elektronischer Anwendungen.

Die Detonationsmethode der K-State zur Herstellung von Graphen erfüllt alle Voraussetzungen. Das Verfahren ist sicherer, sauberer, umweltfreundlicher, billiger, konsistenter und schneller als andere Methoden. Ein zusätzlicher Bonus ist, dass es auch skalierbar ist und qualitativ hochwertiges Graphen in großen Mengen produzieren kann.

"Wir haben Graphen zufällig im Labor entdeckt, als wir mit kontrollierten Explosionen ein Aerosol-Gel herstellten", sagte Chris Sorensen, Cortelyou-Rust Universitätsprofessor für Physik und angesehener Lehrbeauftragter der Universität. "Ich hatte nicht erwartet, Graphen herzustellen."

Sorensens Forschungsteam hatte mehrere Jahre damit verbracht, Aerosol-Gele zu entwickeln und zu patentieren, fand aber eines Tages heraus, dass ihre Explosionssynthesemethode auch Nanographen herstellen kann - ein dunkles und unglaublich leichtes Material. Vor einigen Jahren patentierte die Kansas State University Research Foundation Sorensens neue Detonationstechnik zur Massenproduktion von Graphen.

Harold Davidson und Barry Hemsworth, Unternehmer aus Vancouver, British Columbia, wurden auf Sorensens Arbeit aufmerksam. Davidson bat 2017 um eine Zusammenarbeit mit Sorensen, um das Verfahren zur Herstellung von Graphen in industriellem Maßstab zu entwickeln und zu automatisieren. Davidson und Hemsworth gründeten ein Start-up-Unternehmen namens Carbon-2D Graphene Inc. und arbeiteten hart daran, Risikokapital für Carbon-2D zu beschaffen, um Sorensens Forschung zu finanzieren.

Die Investition zahlte sich aus. Die Forschung führte nicht nur zu einer Graphenproduktionsanlage im Pilotmaßstab, sondern auch zu einer weiteren Entdeckung: einer umweltfreundlichen, kostengünstigen Methode zur Herstellung von Wasserstoff. Dies ist ein bedeutender Fortschritt, denn Wasserstoff wird in naher Zukunft eine wichtige Energiequelle sein, so Sorensen.

Carbon-2D Graphene Inc. wurde bald zu HydroGraph Clean Power Inc. und die Zusammenarbeit wurde auf andere K-State-Forscher und Kjirstin Breure ausgeweitet, der zum Chief Operating Officer von HydroGraph wurde. Die Arbeit hat zu neuen Erfindungen, geistigem Eigentum und endlosen Möglichkeiten geführt.

"Wir glauben an Partnerschaften, und die Partnerschaft mit der K-State war sehr produktiv", sagte Davidson. "Die Welt der Nanomaterialien wird sich für uns und unser Verfahren öffnen. Wir verwenden digitale Methoden mit unserer präzise gesteuerten Detonationstechnologie, um die Nanomaterialien zu schaffen, die wir für die vierte industrielle Revolution benötigen."

Sorensen engagierte bald Stefan Bossmann, einen emeritierten Chemieprofessor der Universität, um die chemische Seite der Zusammenarbeit zu unterstützen. Bossmann wandte eine milde Oxidationsmethode auf das Graphen an, um ein hochwertiges Graphenoxid herzustellen, das die Integrität des Graphens bewahrt und ein neues Material mit zahlreichen Möglichkeiten schafft.

"Unser Verfahren ist völlig neuartig und unsere Methoden zur Oberflächenmodifikation sind ultrapräzise", so Bossmann. "Wir verwenden das explosive Graphen und modifizieren nur die äußere Schicht, was bedeutet, dass wir alle anderen Schichten und ihre Eigenschaften beibehalten. Das reicht aus, um diese äußere Schicht über die etablierte organische und anorganische Chemie mit praktisch jeder anderen Matrix zu verbinden."

Zu dem Forscherteam gehören auch Arjun Nepal, wissenschaftlicher Assistenzprofessor für Physik, Stephen Corkill, Forschungsingenieur für Physik, sowie zahlreiche Studenten und Diplomanden.

Einige der jüngsten Patente des kollaborativen Forschungsteams sind:

  • Eine Methode zur Erzeugung von wasserstoffreichem Synthesegas in einem vorläufigen Patent mit dem Titel "Verfahren zur Synthese von Synthesegasbestandteilen".
  • Eine Vorrichtung zur Hochskalierung der Graphenproduktion in einer Patentanmeldung mit dem Titel "Vorrichtung und Verfahren zur Massenproduktion von partikelförmigen Materialien".
  • Ein Verfahren zur Entwicklung von turbostratischem Graphenoxid in einer Patentanmeldung mit dem Titel "Graphene/graphene oxide core/shell particulates and methods".

HydroGraph unterstützt das Team weiterhin und hat kürzlich eine Forschungspartnerschaft in Höhe von 1,4 Millionen Dollar für künftige Projekte geschlossen, an denen auch andere Forscher des Carl R. Ice College of Engineering und des College of Arts and Sciences der K-State beteiligt sind: Placidus Amama, außerordentlicher Professor für Chemietechnik; Suprem Das, Assistenzprofessor für Industrie- und Produktionssystemtechnik; Jun Li, Professor für Chemie; und Dong Lin, außerordentlicher Professor für Industrie- und Produktionssystemtechnik.

An der Arbeit beteiligt sind auch das University of Kansas Medical Center und die Missouri University of Science and Technology. Im Rahmen der Finanzierung und Forschung werden neun Studenten ausgebildet.

"Diese Forschungs- und Vermarktungspartnerschaft mit HydroGraph ist ein hervorragendes Beispiel dafür, wie K-State aktiv mit Unternehmen zusammenarbeitet, um neue Unternehmen und Arbeitsplätze in den Bundesstaat Kansas zu bringen", sagte David Rosowsky, Vizepräsident für Forschung an K-State.

Das institutsübergreifende Forschungsteam arbeitet weiter an der Erweiterung der Detonationsmethode zur Erzeugung von Graphen und wasserstoffreichem Synthesegas. Außerdem entwickeln sie Geräte zur effizienteren Herstellung von einzigartigem Graphen und Graphenoxid. Es ist eine Zusammenarbeit mit großen Plänen für zukünftiges Wachstum und Entwicklung.

"All dies begann als auf Neugier basierende Forschung", so Sorensen. Land-grant universities" wurden auf der Idee gegründet, dass Forschung und kreative Ideen, die an der staatlichen Universität formuliert werden, nützliche Technologien hervorbringen würden. Genau das ist hier geschehen. Darüber hinaus könnte diese Art der Zusammenarbeit im Bereich des geistigen Eigentums die Zukunft für K-State sein."

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    HydroGraph Clean Power Inc.

    HydroGraph Clean Power Inc. wurde 2017 gegründet. Das Unternehmen nutzt eine "Detonationsmethode" zur Herstellung von synthetischem Graphen mit einem Reinheitsgrad von 99,8 % durch einen Prozess, bei dem Acetylen und Sauerstoff in der kontrollierten Umgebung einer speziell angefertigten Kam ... mehr