Radboud Universiteit Nijmegen

Pb 09-13
EMBARGO TOT 29-1 18:00

Nijmegen, 28 januari 2009 AANGEPAST 29-1

Grafeen plus H is grafaan
Platste koolstof geschikt als waterstoftank

Door grafeen te binden aan waterstof wordt het tweedimensionele molecuul een halfgeleider. Bovendien blijkt het materiaal interessant om als waterstoftank te gebruiken. Deze bevindingen van de ontdekkers van grafeen in Manchester en hun Nijmeegse collega Katsnelson staan vrijdag 30 januari in Science.

Vorig jaar al berekende theoretisch fysicus prof. Mikhail Katsnelson dat grafeen waterstof kan binden en dan verandert in grafaan. Dit is verrassend omdat grafeen geldt als chemisch inert. Grafaan is in tegenstelling tot grafeen een halfgeleider: de binding met waterstof creëert een kwantumfysische 'gap' die in grafeen ontbreekt en het ongeschikt maakt voor toepassing in grotere elektronische systemen. De voorspelling is nu in Manchester experimenteel bevestigd. Katsnelson - verbonden aan het Institute for Molecules and Materials van de Radboud Universiteit Nijmegen is dan ook - met zijn medewerker Danil Boukhvalov - co-auteur van de Sciencepublicatie over de ontdekking. Verrassend is dat grafaan ook weer vrij gemakkelijk de waterstof loslaat. Daarmee is de stof een uitstekende kandidaat om er waterstof in op te slaan.

Goede eigenschappen
'Grafeen heeft twee geweldig positieve eigenschappen voor toepassingen en twee negatieve,' begint prof. Mikhail Katsnelson zijn uitleg. Als theoretisch fysicus is hij nauw betrokken bij de exploiratie van de mogelijkheden van de dunste - tweedimensionale - vorm van koolstof. De banden met Geim en Novoselov, de ontdekkers van grafeen in Manchester, zijn nauw, wat ongetwijfeld versterkt wordt door de gezamenlijke moedertaal van deze Russen. 'Grafeen is plat, platter kan niet. Dat is positief omdat reacties aan oppervlakken plaatsvinden. Daarom heeft iedereen het over platte computers. Alle bulk die onder het oppervlak zit, is in feite ballast bij toepassingen. Grafeen is dus een uitstekend uitgangspunt voor zeer dunne, efficiente elektronica. Nu we weten hoe we waterstof aan grafeen kunnen binden kunnen we vervolgens ook andere stoffen, met allerlei gewenste eigenschappen op het grafeen-raster bouwen. Het blijft dan nog steeds een heel plat molecuul.' 'Ten tweede is het positief dat elektronen heel snel door grafeen heen gaan. Die snelheid is interessant voor computertoepassingen.'

Slecht gedrag
'Dan is er iets dat wetenschappelijk wel interessant is, maar heel onpraktisch voor toepassingen. Elektronen gedragen zich relativistisch in grafeen. Twee jaar geleden heb ik met mijn collega's in een publicatie in Nature Materials-artikel voorspeld dat het Klein-tunnelingeffect in grafeen zou bestaan. Dat is onlangs experimenteel bevestigd.' Het Klein-tunnelingeffect heeft als consequentie dat elektronen vrij door het materiaal bewegen en geen last hebben van obstakels. Als je een transistor wilt maken is dat erg onhandig: je wilt dan juist kunnen schakelen. Aan of uit, geen tussenvorm. Er is wel een transistor van grafeen gemaakt, maar die is zo klein dat daardoor een gap ontstaat. Wil je grotere elektronische circuits maken dan moet je de gap voor de elektronen openen. En dat is nu precies wat er het waterstof in grafaan doet.

Waterstofopslag
'En toen vonden we iets wat eigenlijk helemaal niet gepland was,' vertelt Katsnelson. 'Door het grafaan een te verwarmen tot 450 graden, liet het waterstof weer los. Alle eigenschappen van het grafeen herstelden zich. Het lijkt daardoor heel geschikt als kandidaat voor waterstofopslag.' En daar wordt hard naar gezocht: alle beloftes van de waterstofeconomie stranden voorlopig op het ontbreken van een handige en veilige manier om waterstof op te slaan en te vervoeren. Opslag in een vaste stof lijkt ideaal. Tenminste: als die stof steeds opnieuw gebruikt kan worden. En dat lijkt met grafeen het geval.

Blijft over het andere grote probleem rond grafeen: het is voorlopig niet op grote schaal te produceren en het is daardoor peperduur. Totdat er op een goedkope en eenvoudige manier grafeen gemaakt kan worden blijven alle ontdekkingen over potentiële toepassingen vooral theorie. Maar, stelt Katsnelson gerust, daar werken we hard aan. En voor waterstofopslag is grafeen van een paar laagjes dik óók geschikt. En die minder perfecte variant is waarschijnlijk veel makkelijker te maken.




Radboud Universiteit Nijmegen