DE102022203207A1 - Process for producing a graphene film - Google Patents

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15—Nano-sized carbon materials
    • C01B32/182—Graphene
    • C01B32/184—Preparation

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines als elektrischer Leiter ausgebildeten Graphenfilms, insbesondere aus einem Graphitfilm oder graphitisierten Graphenfilm, umfassend die Schrittea. Bereitstellen eines graphithaltigen Kohlenstofffilms, insbesondere eines Graphitfilms oder graphitisierten Graphenfilms, umfassend eine Vielzahl von Graphenlagen, die zumindest teilweise nicht-turbostratisch zueinander angeordnet sind,b. Interkalation eines Interkalationsstoffes in den graphithaltigen Kohlenstofffilm zur Vergößerung der Abstände zwischen den Graphenlagen des graphithaltigen Kohlenstofffilms und zur Verringerung der Bindungskräfte zwischen den Graphenlagen,c. mechanische Bearbeitung oder Belastung des graphithaltigen Kohlenstofffilms zur Disorientierung, insbesondere Verdrehung und/oder Verschiebung, der Graphenlagen, um Anteile von Graphit im Kohlenstofffilm durch lokale Erzeugung einer turbostratischen Struktur zumindest teilweise in Graphen umzuwandeln,d. Entfernen des Interkalationsstoffes aus dem Material des Kohlenstofffilms zur Bildung des fertigen Graphenfilms.Method for producing a graphene film designed as an electrical conductor, in particular from a graphite film or graphitized graphene film, comprising the steps a. Providing a graphite-containing carbon film, in particular a graphite film or graphitized graphene film, comprising a plurality of graphene layers which are at least partially arranged non-turbostratically relative to one another, b. Intercalation of an intercalation substance into the graphite-containing carbon film to increase the distances between the graphene layers of the graphite-containing carbon film and to reduce the binding forces between the graphene layers, c. mechanical processing or loading of the graphite-containing carbon film to disorientate, in particular twist and/or shift, the graphene layers in order to at least partially convert portions of graphite in the carbon film into graphene by locally generating a turbostratic structure, i.e. Removing the intercalant from the carbon film material to form the finished graphene film.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung eines Graphenfilms nach der Gattung des Hauptanspruchs.The invention is based on a method for producing a graphene film according to the preamble of the main claim.

Es sind schon Verfahren zur Herstellung eines Graphenfilms bekannt, beispielsweise aus der CN108892134A , DE102020206334 A1 und DE102020200325 A1 . Weiterhin sind schon Verfahren zur Herstellung von Graphenfasern bekannt, beispielsweise aus der CN105603581A , CN105544016A und CN105544017A . Am Ende des Herstellprozesses zur Herstellung der Graphenfilme und der Graphenfasern ist häufig eine thermische Behandlung bei sehr hohen Temperaturen vorgesehen, um eine höhere elektrische Leitfähigkeit zu erreichen und/oder um Defekte im Kohlenstoffgitter auszuheilen. Eine solche thermische Behandlung kann jedoch im Leitermaterial eine nachteilige Graphitisierung, also eine Umwandlung des Graphens zu Graphit, bewirken, wodurch der Graphitfilm steifer und somit weniger biegeschlaff ist. Weiterhin besitzt dadurch sowohl der undotierte Graphitfilm als auch der dotierte Graphitfilm eine geringere elektrische Leitfähigkeit.Methods for producing a graphene film are already known, for example from CN108892134A , DE102020206334 A1 and DE102020200325 A1 . Furthermore, processes for producing graphene fibers are already known, for example from CN105603581A , CN105544016A and CN105544017A . At the end of the manufacturing process for producing the graphene films and graphene fibers, thermal treatment at very high temperatures is often provided in order to achieve higher electrical conductivity and/or to heal defects in the carbon lattice. However, such a thermal treatment can cause disadvantageous graphitization in the conductor material, i.e. a conversion of the graphene to graphite, as a result of which the graphite film is stiffer and therefore less flexible. Furthermore, both the undoped graphite film and the doped graphite film have lower electrical conductivity.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Graphenfilms mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass die Graphitisierung im Leitermaterial durch eine nachträgliche Graphenisierung zumindest teilweise wieder rückgängig gemacht werden kann. Dies kann erfindungsgemäß durch nachfolgend genannte Schritte erfolgen. In einem ersten Schritt wird ein graphithaltiger Kohlenstofffilm, insbesondere ein Graphitfilm oder ein graphitisierter Graphenfilm, als Ausgangsprodukt bereitgestellt, der eine Vielzahl von Graphenlagen aufweist, die zumindest teilweise nicht-turbostratisch zueinander angeordnet sind.The method according to the invention for producing a graphene film with the characterizing features of the main claim has the advantage that the graphitization in the conductor material can be at least partially reversed by subsequent graphenization. According to the invention, this can be done by the steps mentioned below. In a first step, a graphite-containing carbon film, in particular a graphite film or a graphitized graphene film, is provided as a starting product, which has a multiplicity of graphene layers which are at least partially arranged non-turbostratically to one another.

In einem zweiten Schritt wird ein Interkalationsstoff in den graphithaltigen Kohlenstofffilm interkaliert zur Verringerung der Bindungskräfte, insbesondere der Vander-Waals-Kräfte, und/oder der Reibungskräfte zwischen den Graphenlagen. Infolge der verringerten Bindungs- und/oder Reibungskräfte kommt es zur Vergößerung der Abstände zwischen den Graphenlagen des Kohlenstofffilms.In a second step, an intercalation substance is intercalated into the graphite-containing carbon film to reduce the binding forces, in particular the Vander Waals forces, and/or the friction forces between the graphene layers. As a result of the reduced binding and/or friction forces, the distances between the graphene layers of the carbon film increase.

In einem nachfolgenden dritten Schritt wird der graphithaltige Kohlenstofffilm mechanisch bearbeitet, um infolge der verringerten Bindungskräfte eine Disorientierung, insbesondere Verdrehung und/oder Verschiebung, der Graphenlagen zu erreichen und um somit Anteile von Graphit im Kohlenstofffilm durch lokale Erzeugung einer turbostratischen Struktur zumindest teilweise in Graphen umzuwandeln. In einem vierten Schritt wird der Interkalationsstoff wieder aus dem Material des Kohlenstofffilms entfernt zur Bildung des fertigen Graphenfilms.In a subsequent third step, the graphite-containing carbon film is mechanically processed in order to achieve disorientation, in particular twisting and/or displacement, of the graphene layers as a result of the reduced binding forces and in order to at least partially convert portions of graphite in the carbon film into graphene by locally generating a turbostratic structure . In a fourth step, the intercalation substance is removed from the material of the carbon film to form the finished graphene film.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei Temperaturen unterhalb einer Graphitisierungstemperatur erfolgen, insbesondere bei Temperaturen unterhalb von 100 Grad Celsius, beispielsweise nahe oder bei Raumtemperatur.The process according to the invention can be carried out at temperatures below a graphitization temperature, in particular at temperatures below 100 degrees Celsius, for example close to or at room temperature.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich.The measures listed in the subclaims make advantageous developments and improvements to the method specified in the main claim possible.

Besonders vorteilhaft ist, wenn die mechanische Bearbeitung oder Belastung des graphithaltigen Kohlenstofffilms die Graphenlagen des Kohlenstofffilms auf Scherung beansprucht, insbesondere durch eine Torsion und/oder Dehnung des Kohlenstofffilms. Die Scherung kann eine translatorische und/oder rotatorische Scherung sein. Auf diese Weise wird im graphithaltigen Kohlenstofffilm eine nicht-turbostratische Graphitgitter-Struktur zumindest teilweise in eine turbostratische Struktur umgewandelt, wodurch das Graphit in Graphen umgewandelt ist.It is particularly advantageous if the mechanical processing or loading of the graphite-containing carbon film subjects the graphene layers of the carbon film to shear, in particular through torsion and/or stretching of the carbon film. The shear can be translational and/or rotational shear. In this way, a non-turbostratic graphite lattice structure in the graphite-containing carbon film is at least partially converted into a turbostratic structure, whereby the graphite is converted into graphene.

Sehr vorteilhaft ist, wenn die mechanische Bearbeitung oder Belastung des graphithaltigen Kohlenstofffilms an einer Oberfläche des Kohlenstofffilms mittels eines auf die Oberfläche aufgesetzten Scher-Werkzeuges erfolgt oder an einer von zwei eingespannten Abschnitten des Kohlenstofffilms mittels eines bewegbaren Spann-Werkzeugs in den Kohlenstofffilm eingeleitet wird oder erfolgt. Auf diese Weise wird im Kohlenstofffilm eine Scherung erzeugt, die zur Verschiebung und/ oder Verdrehung der Graphenlagen relativ zueinander führt, so dass diese zumindest teilweise turbostratisch vorliegen.It is very advantageous if the mechanical processing or loading of the graphite-containing carbon film is carried out on a surface of the carbon film by means of a shearing tool placed on the surface or is introduced into the carbon film by means of a movable clamping tool on one of two clamped sections of the carbon film . In this way, shear is generated in the carbon film, which leads to the displacement and/or rotation of the graphene layers relative to one another, so that they are at least partially turbostratic.

Eine weitere Möglichkeit diese Scherung zu unterstützen ist der Einsatz von Ultraschall. Durch den Ultraschall werden im Kohlenstofffilm Kavitationsblasen erzeugt, die die Graphenlagen kurzeitig voneinander entfernen, so dass eine Verdrehung dadurch vereinfacht wird oder auch ohne äußere Scherung erzielt wird.Another way to support this shearing is to use ultrasound. The ultrasound creates cavitation bubbles in the carbon film, which temporarily remove the graphene layers from each other, so that twisting is simplified or achieved without external shear.

Weiterhin vorteilhaft ist, wenn das Entfernen des Interkalationsstoffes aus dem Material des Kohlenstofffilms durch eine Flüssig- oder Gasphasendiffusion erfolgt, insbesondere ohne dass der Interkalationsstoff dabei siedet. Der Siedepunkt des Interkalationsstoffes kann beispielsweise im Bereich zwischen 30°C bis 90°C liegen. Die Flüssig- oder Gasphasendiffuison zum Entfernen des Interkalationsstoffes aus dem Material des Kohlenstofffilms kann beispielsweise durch Verdampfen, durch Unterdruck oder durch Affinität zu einem anderen Stoff erfolgen. Auf diese Weise wird vermieden, dass sich die Graphenlagen durch den hohen Dampfdruck des Interkalationsstoffes im Bereich des Siedepunktes oder darüber voneinander entfernen, was zu einer Expansion des aus den Graphenlagen aufgebauten Materials führen würde.It is also advantageous if the intercalation substance is removed from the material of the carbon film by liquid or gas phase diffusion, in particular without the intercalation substance boiling. The boiling point of the intercalation substance can, for example, be in the range between 30 ° C and 90 ° C. The liquid or Gas phase diffusion to remove the intercalation substance from the material of the carbon film can be carried out, for example, by evaporation, by negative pressure or by affinity for another substance. In this way, it is avoided that the graphene layers move away from each other due to the high vapor pressure of the intercalation substance in the boiling point area or above, which would lead to an expansion of the material made up of the graphene layers.

Der Interkalationsstoff kann nach einer ersten Ausführung eine organische oder anorganische wasserabweisende Substanz, insbesondere ein Aliphat, speziell insbesondere ein primärer, sekundärer oder tertiärer Aliphat, sein. Der Interkalationsstoff kann alternativ nach einer zweiten Ausführung auch ein linearer Aliphat, insbesondere ein Alkan, speziell insbesondere ein n-Pentan oder ein n-Decan sein. Dabei sind insbesondere die Alkane vorteilhaft, deren Siedetemperatur niedrig genug ist, wie zum Beispiel n-Pentan (Siedepunkt 36°C). Damit die Entfernung aus dem Film zuverlässig möglich ist, sollte der Siedepunkt nicht höher als 80°C liegen. Daher ist mit n-Decan (Siedepunkt 73°C) bezüglich der Anzahl der Kohlenstoffatome die obere Grenze für besonders vorteilhafte lineare Alkane erreicht.According to a first embodiment, the intercalation substance can be an organic or inorganic water-repellent substance, in particular an aliphate, especially in particular a primary, secondary or tertiary aliphate. Alternatively, according to a second embodiment, the intercalation substance can also be a linear aliphate, in particular an alkane, especially an n-pentane or an n-decane. The alkanes whose boiling point is low enough, such as n-pentane (boiling point 36 ° C), are particularly advantageous. To ensure reliable removal from the film, the boiling point should not be higher than 80°C. Therefore, with n-decane (boiling point 73 ° C) the upper limit for particularly advantageous linear alkanes is reached in terms of the number of carbon atoms.

Nach einer dritten Ausführung kann der Interkalationsstoff alternativ auch ein Fluorkohlenwasserstoff oder ein Fluorchlorkohlenwasserstoff sein, insbesondere Pentafluorbutan, Perfluorhexan, cis-Hexafluorbuten, Trichlortrifluorethan. Auch hier sind diejenigen Stoffe besonders vorteilhaft, deren Siedepunkt größer als 30°C, aber nicht größer 80°C ist. Solche Verbindungen sind beispielsweise Pentafluorbutan (Siedepunkt 40°C), Perfluorhexan (Siedepunkt 57°C) , cis-Hexafluorbuten (Siedepunkt 33°C) und Trichlor-trifluorethan (Siedepunkt 48 °C).According to a third embodiment, the intercalating substance can alternatively also be a fluorocarbon or a chlorofluorocarbon, in particular pentafluorobutane, perfluorohexane, cis-hexafluorobutene, trichlorotrifluoroethane. Here too, those substances whose boiling point is greater than 30°C but not greater than 80°C are particularly advantageous. Such compounds are, for example, pentafluorobutane (boiling point 40 ° C), perfluorohexane (boiling point 57 ° C), cis-hexafluorobutene (boiling point 33 ° C) and trichloro-trifluoroethane (boiling point 48 ° C).

Nach einer vierten Ausführung kann der Interkalationsstoff auch ein sauerstoffhaltiger Fluorkohlenwasserstoff sein, insbesondere Hydrofluorether oder Methoxyperfluorbutan. Besonders vorteilhaft sind diejenigen Stoffe, deren Siedepunkt zwischen 30°C und 80°C liegt.According to a fourth embodiment, the intercalation substance can also be an oxygen-containing fluorocarbon, in particular hydrofluoroether or methoxyperfluorobutane. Substances whose boiling point is between 30°C and 80°C are particularly advantageous.

Nach einer fünften Ausführung kann der Interkalationsstoff auch eine anorganische wasserlösliche Säure sein, insbesondere Salpetersäure (Siedepunkt 86°C) oder Schwefelsäure. Diese Interkalationsstoffe können durch Waschen mit Wasser entfernt werden. Das im Kohlenstofffilm verbliebene Wasser kann wiederum nachfolgend durch Trocknen entfernt werden.According to a fifth embodiment, the intercalating substance can also be an inorganic water-soluble acid, in particular nitric acid (boiling point 86 ° C) or sulfuric acid. These intercalating substances can be removed by washing with water. The water remaining in the carbon film can then be removed by drying.

Vorteilhaft ist, wenn im Schritt 1b) des Anspruchs 1 ein weiterer Interkalationsstoff interkaliert wird, insbesondere eine Lewis-Säure. Auf diese Weise kann die elektrische Leitfähigkeit des Graphenfilms weiter erhöht werden.It is advantageous if a further intercalation substance is intercalated in step 1b) of claim 1, in particular a Lewis acid. In this way, the electrical conductivity of the graphene film can be further increased.

Außerdem vorteilhaft ist, wenn der fertige Graphenfilm verdichtet wird, insbesondere durch Pressen oder Komprimieren, wobei dies insbesondere bei Temperaturen bis zu 500°C erfolgt. Auf diese Weise kann eine im zweiten Schritt (Interkalation) erfolgte Ausdehnung des Kohlenstofffilms zumindest teilweise rückgängig gemacht bzw. kompensiert werden.It is also advantageous if the finished graphene film is compacted, in particular by pressing or compression, this taking place in particular at temperatures of up to 500 ° C. In this way, any expansion of the carbon film that occurred in the second step (intercalation) can be at least partially reversed or compensated for.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.An exemplary embodiment of the invention is explained in more detail in the following description.

Beschreibung des AusführungsbeispielsDescription of the exemplary embodiment

Das erfindungsgemäße Verfahren dient der Herstellung eines Graphenfilms zur elektrischen Leitung. Der mit dem Verfahren hergestellte Graphenfilm ist also ein elektrischer Leiter. Das Ausgangsprodukt des Verfahrens ist ein graphithaltiger Kohlenstofffilm, beispielsweise ein Graphitfilm aus 100% Graphit oder ein graphitisierter Graphenfilm, der Graphen und zusätzlich Graphit umfasst.The method according to the invention is used to produce a graphene film for electrical conduction. The graphene film produced using the process is an electrical conductor. The starting product of the process is a graphite-containing carbon film, for example a graphite film made of 100% graphite or a graphitized graphene film that includes graphene and additional graphite.

Nach einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird also der graphithaltige Kohlenstofffilm, insbesondere ein Graphitfilm oder graphitisierter Graphenfilm, bereitgestellt. Der Kohlenstofffilm des Ausgangsprodukts umfasst eine Vielzahl von übereinander- und nebeneinanderliegenden Graphenlagen, die zumindest teilweise gemäß einer Graphitgitter-Struktur nicht-turbostratisch zueinander angeordnet sind. Unter einer „turbostratischen Struktur“ werden gegeneinander verdrehte und/oder verschobene Graphenlagen oder gegeneinander verdrehte und/oder verschobene Stapel von Graphenlagen verstanden.After a first step of the method according to the invention, the graphite-containing carbon film, in particular a graphite film or graphitized graphene film, is provided. The carbon film of the starting product comprises a large number of graphene layers lying one above the other and next to one another, which are at least partially arranged non-turbostratically relative to one another according to a graphite lattice structure. A “turbostratic structure” refers to graphene layers that are twisted and/or displaced relative to one another or stacks of graphene layers that are twisted and/or displaced relative to one another.

Nach einem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein gasförmiger oder flüssiger Interkalationsstoff in den graphithaltigen Kohlenstofffilm interkaliert, um dadurch die Bindungskräfte zwischen den Graphenlagen, beispielsweise die Van-der-Waals-Kräfte, und/oder die Reibungskräfte zwischen den Graphenlagen zu verringern. Dabei ist besonders vorteilhaft, wenn der gasförmige Interkalant bei der Interkalation in die Flüssigphase übergeht. Infolge der verringerten Bindungskräfte und/oder Reibungskräfte kommt es dazu, dass sich die Abstände zwischen den Graphenlagen des graphithaltigen Kohlenstofffilms vergrößern. Die Reduzierung der Reibung zwischen den Graphenlagen wird insbesondere dadurch erzielt, dass der Interkalationsstoff im flüssigen Aggregatszustand vorliegt.After a second step of the method according to the invention, a gaseous or liquid intercalation substance is intercalated into the graphite-containing carbon film in order to thereby reduce the binding forces between the graphene layers, for example the van der Waals forces, and/or the frictional forces between the graphene layers. It is particularly advantageous if the gaseous intercalant changes into the liquid phase during intercalation. As a result of the reduced binding forces and/or friction forces, the distances between the graphene layers of the graphite-containing carbon film increase. The reduction in friction between the graphene layers is achieved in particular by the fact that the intercalation substance is in the liquid state.

Nachdem die Bindungskräfte zwischen den Graphenlagen zuvor geschwächt wurden, ist es durch den nachfolgenden dritten Schritt des Verfahrens möglich, die Gitterposition von Graphenlagen im Kohlenstofffilm durch eine mechanische Bearbeitung oder Belastung des graphithaltigen Kohlenstofffilms zu verändern, beispielsweise durch Verdrehung und/oder Verschiebung von Graphenlagen. Auf diese Weise können im Kohlenstofffilm nicht-turbostratische Strukturen lokal in turbostratische Strukturen umgewandelt werden, was gleichbedeutend ist mit der lokalen Umwandlung von Anteilen von Graphit in Graphen.After the binding forces between the graphene layers have previously been weakened, it is Through the subsequent third step of the method, it is possible to change the lattice position of graphene layers in the carbon film by mechanical processing or loading of the graphite-containing carbon film, for example by twisting and / or shifting graphene layers. In this way, non-turbostratic structures in the carbon film can be locally converted into turbostratic structures, which is equivalent to the local conversion of portions of graphite into graphene.

In einem vierten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der interkalierte Interkalationsstoff wieder aus dem Material des Kohlenstofffilms entfernt unter Bildung des fertigen Graphenfilms.In a fourth step of the method according to the invention, the intercalated intercalation substance is removed again from the material of the carbon film to form the finished graphene film.

Nachfolgend werden weitere Ausführungen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben:

  • Der Interkalationsstoff gemäß dem zweiten Schritt kann eine organische oder anorganische wasserabweisende Substanz, insbesondere ein Aliphat, speziell insbesondere ein primärer, sekundärer oder tertiärer Aliphat, sein. Weiterhin kann der Interkalationsstoff ein linearer Aliphat, insbesondere ein Alkan, speziell insbesondere ein n-Pentan oder ein n-Decan, sein.
Further embodiments of the method according to the invention are described below:
  • The intercalation substance according to the second step can be an organic or inorganic water-repellent substance, in particular an aliphate, especially in particular a primary, secondary or tertiary aliphate. Furthermore, the intercalation substance can be a linear aliphate, in particular an alkane, especially an n-pentane or an n-decane.

Alternativ kann der Interkalationsstoff ein Fluorkohlenwasserstoff oder ein Fluorchlorkohlenwasserstoff sein, insbesondere Pentafluorbutan, Perfluorhexan, cis-Hexafluorbuten, Trichlortrifluorethan. Eine weitere Alternative für den Interkalationsstoff ist ein sauerstoffhaltiger Fluorkohlenwasserstoff, insbesondere Hydrofluorether oder Methoxyperfluorbutan. Der Interkalationsstoff kann auch eine anorganische wasserlösliche Säure sein, insbesondere Salpetersäure oder Schwefelsäure.Alternatively, the intercalation substance can be a fluorocarbon or a chlorofluorocarbon, in particular pentafluorobutane, perfluorohexane, cis-hexafluorobutene, trichlorotrifluoroethane. Another alternative for the intercalation substance is an oxygen-containing fluorocarbon, in particular hydrofluoroether or methoxyperfluorobutane. The intercalating substance can also be an inorganic water-soluble acid, in particular nitric acid or sulfuric acid.

Im zweiten Schritt des Verfahrens kann zusätzlich ein weiterer Interkalationsstoff interkaliert werden, insbesondere eine Lewis-Säure, um die elektrische Leitfähigkeit des Graphenfilms weiter zu erhöhen.In the second step of the process, a further intercalation substance can also be intercalated, in particular a Lewis acid, in order to further increase the electrical conductivity of the graphene film.

Für die mechanische Bearbeitung oder Belastung des graphithaltigen Kohlenstofffilms gemäß dem dritten Schritt ist vorgesehen, die Graphenlagen des Kohlenstofffilms auf Scherung zu beanspruchen, insbesondere durch Torsion und/oder Dehnung des Kohlenstofffilms.For the mechanical processing or loading of the graphite-containing carbon film according to the third step, it is intended to subject the graphene layers of the carbon film to shear, in particular by torsion and / or stretching of the carbon film.

Die mechanische Bearbeitung des graphithaltigen Kohlenstofffilms kann beispielsweise an einer Oberfläche des Kohlenstofffilms mittels eines aufgesetzten Scher-Werkzeuges erfolgen. Alternativ kann eine Belastung des graphithaltigen Kohlenstofffilms an einer von zwei eingespannten Abschnitten des Kohlenstofffilms mittels eines bewegbaren Spann-Werkzeugs in den Kohlenstofffilm eingeleitet werden. Die mechanische Bearbeitung oder Belastung kann beispielsweise durch eine schwingende, oszillierende oder vielfach wiederholte Bewegung des Scher-Werkzeuges oder SpannWerkzeuges erfolgen.The mechanical processing of the graphite-containing carbon film can be carried out, for example, on a surface of the carbon film using an attached shearing tool. Alternatively, a load on the graphite-containing carbon film can be introduced into the carbon film at one of two clamped sections of the carbon film by means of a movable clamping tool. The mechanical processing or loading can be carried out, for example, by a swinging, oscillating or repeatedly repeated movement of the shearing tool or clamping tool.

Nach einem Ausführungsbeispiel kann der Kohlenstofffilm auf einer Unterlage festgehalten werden und ein zylinderförmiges Scher-Werkzeug mit einer Kontaktfläche und unter Einwirkung einer Druckkraft auf die Oberfläche des Kohlenstofffilms aufgesetzt und zur Erzeugung der Scherung über die gesamte Oberfläche des Kohlenstofffilms bewegt werden, insbesondere translatorisch und rotatorisch.According to one embodiment, the carbon film can be held on a base and a cylindrical shearing tool with a contact surface and under the influence of a compressive force can be placed on the surface of the carbon film and moved over the entire surface of the carbon film to generate shear, in particular translationally and rotationally.

Das Entfernen des Interkalationsstoffes aus dem Material des Kohlenstofffilms gemäß dem vierten Schritt kann beispielsweise durch eine Flüssig- oder Gasphasendiffusion erfolgen, insbesondere ohne dass der Interkalationsstoff dabei siedet. Ein Sieden könnte eine starke Volumenexpansion des Interkalationsstoffes zur Folge haben und könnte dadurch den Kohlenstofffilm zerstören. Die Flüssig- oder Gasphasendiffusion zum Entfernen des Interkalationsstoffes kann beispielsweise durch Verdampfen, durch Unterdruck oder durch Affinität zu einem anderen Stoff erfolgen.The removal of the intercalation substance from the material of the carbon film according to the fourth step can be carried out, for example, by liquid or gas phase diffusion, in particular without the intercalation substance boiling. Boiling could result in a strong volume expansion of the intercalant and could thereby destroy the carbon film. The liquid or gas phase diffusion to remove the intercalation substance can take place, for example, by evaporation, by negative pressure or by affinity for another substance.

Der Siedepunkt des Interkalationsstoffes liegt beispielsweise im Bereich zwischen 30°C bis 90°C.The boiling point of the intercalation substance is, for example, in the range between 30°C and 90°C.

Der fertige Graphenfilm gemäß dem vierten Schritt kann in einem nachfolgenden fünften Schritt verdichtet werden, insbesondere durch Pressen oder Komprimieren.The finished graphene film according to the fourth step can be compacted in a subsequent fifth step, in particular by pressing or compression.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • CN 108892134 A [0002]CN 108892134 A [0002]
  • DE 102020206334 A1 [0002]DE 102020206334 A1 [0002]
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  • CN 105544016 A [0002]CN 105544016 A [0002]
  • CN 105544017 A [0002]CN 105544017 A [0002]

Claims (11)

Verfahren zur Herstellung eines als elektrischer Leiter ausgebildeten Graphenfilms, insbesondere aus einem Graphitfilm oder graphitisierten Graphenfilm, umfassend die Schritte a. Bereitstellen eines graphithaltigen Kohlenstofffilms, insbesondere eines Graphitfilms oder graphitisierten Graphenfilms, umfassend eine Vielzahl von Graphenlagen, die zumindest teilweise nicht-turbostratisch zueinander angeordnet sind, b. Interkalation eines Interkalationsstoffes in den graphithaltigen Kohlenstofffilm zur Verringerung der Bindungskräfte zwischen den Graphenlagen und zur Vergößerung der Abstände zwischen den Graphenlagen, c. mechanische Bearbeitung oder Belastung des graphithaltigen Kohlenstofffilms zur Disorientierung, insbesondere Verdrehung und/oder Verschiebung, der Graphenlagen, um Anteile von Graphit im Kohlenstofffilm durch lokale Erzeugung einer turbostratischen Struktur zumindest teilweise in Graphen umzuwandeln, d. Entfernen des Interkalationsstoffes aus dem Material des Kohlenstofffilms zur Bildung des fertigen Graphenfilms.Method for producing a graphene film designed as an electrical conductor, in particular from a graphite film or graphitized graphene film, comprising the steps a. Providing a graphite-containing carbon film, in particular a graphite film or graphitized graphene film, comprising a plurality of graphene layers which are at least partially arranged non-turbostratically relative to one another, b. Intercalation of an intercalation substance into the graphite-containing carbon film to reduce the binding forces between the graphene layers and to increase the distances between the graphene layers, c. mechanical processing or loading of the graphite-containing carbon film to disorientate, in particular twist and/or shift, the graphene layers in order to at least partially convert portions of graphite in the carbon film into graphene by locally generating a turbostratic structure, d. Removing the intercalant from the carbon film material to form the finished graphene film. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Bearbeitung oder Belastung des graphithaltigen Kohlenstofffilms die Graphenlagen des Kohlenstofffilms auf Scherung beansprucht, insbesondere durch Torsion und/oder Dehnung des Kohlenstofffilms.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the mechanical processing or loading of the graphite-containing carbon film subjects the graphene layers of the carbon film to shear, in particular through torsion and / or stretching of the carbon film. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Bearbeitung oder Belastung des graphithaltigen Kohlenstofffilms an einer Oberfläche des Kohlenstofffilms mittels eines aufgesetzten Scher-Werkzeuges erfolgt oder an einer von zwei eingespannten Abschnitten des Kohlenstofffilms mittels eines bewegbaren Spann-Werkzeugs in den Kohlenstofffilm erfolgt oder eingeleitet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the mechanical processing or loading of the graphite-containing carbon film is carried out on a surface of the carbon film by means of an attached shearing tool or is carried out on one of two clamped sections of the carbon film by means of a movable clamping tool in the carbon film or is initiated. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Entfernen des Interkalationsstoffes aus dem Material des Kohlenstofffilms a. durch eine Flüssig- oder Gasphasendiffusion erfolgt, insbesondere ohne dass der Interkalationsstoff dabei siedet, wobei der Siedepunkt des Interkalationsstoffes insbesondere im Bereich zwischen 30°C bis 90°C liegt, wobei die Flüssig- oder Gasphasendiffusion insbesondere durch Verdampfen, durch Unterdruck oder durch Affinität zu einem anderen Stoff erfolgt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the removal of the intercalation substance from the material of the carbon film a. by a liquid or gas phase diffusion, in particular without the intercalation substance boiling, the boiling point of the intercalation substance being in particular in the range between 30 ° C and 90 ° C, the liquid or gas phase diffusion in particular by evaporation, by negative pressure or by affinity another substance. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Interkalationsstoff eine organische oder anorganische wasserabweisende Substanz, insbesondere ein Aliphat, speziell insbesondere ein primärer, sekundärer oder tertiärer Aliphat, ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the intercalation substance is an organic or inorganic water-repellent substance, in particular an aliphate, especially in particular a primary, secondary or tertiary aliphate. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Interkalationsstoff ein linearer Aliphat, insbesondere ein Alkan, speziell insbesondere ein n-Pentan oder ein n-Decan ist.Procedure according to Claim 5 , characterized in that the intercalation substance is a linear aliphate, in particular an alkane, especially an n-pentane or an n-decane. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Interkalationsstoff ein Fluorkohlenwasserstoff oder ein Fluorchlorkohlenwasserstoff ist, insbesondere Pentafluorbutan, Perfluorhexan, cis-Hexafluorbuten, Trichlortrifluorethan.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the intercalation substance is a fluorocarbon or a fluorochlorohydrocarbon, in particular pentafluorobutane, perfluorohexane, cis-hexafluorobutene, trichlorotrifluoroethane. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Interkalationsstoff ein sauerstoffhaltiger Fluorkohlenwasserstoff ist, insbesondere Hydrofluorether oder Methoxyperfluorbutan, ist.Procedure according to Claim 7 , characterized in that the intercalation substance is an oxygen-containing fluorocarbon, in particular hydrofluoroether or methoxyperfluorobutane. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Interkalationsstoff eine anorganische wasserlösliche Säure ist, insbesondere Salpetersäure oder Schwefelsäure.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the intercalation substance is an inorganic water-soluble acid, in particular nitric acid or sulfuric acid. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt 1b) ein weiterer Interkalationsstoff interkaliert wird, insbesondere eine Lewis-Säure.Method according to one of the preceding claims, characterized in that in step 1b) a further intercalation substance is intercalated, in particular a Lewis acid. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der fertige Graphenfilm verdichtet wird, insbesondere durch Pressen oder Komprimieren, wobei dies insbesondere bei Temperaturen bis zu 500°C erfolgt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the finished graphene film is compacted, in particular by pressing or compression, this taking place in particular at temperatures of up to 500°C.
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