WO2024146776A1 - Flexible, biodegradable, metallized graphene fibre structure and process for production of the like - Google Patents

Flexible, biodegradable, metallized graphene fibre structure and process for production of the like

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WO2024146776A1
WO2024146776A1 PCT/EP2023/086590 EP2023086590W WO2024146776A1 WO 2024146776 A1 WO2024146776 A1 WO 2024146776A1 EP 2023086590 W EP2023086590 W EP 2023086590W WO 2024146776 A1 WO2024146776 A1 WO 2024146776A1
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Hans KLEEMANN
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Abstract

In various embodiments, a process for producing a metallized graphene fibre structure is provided, said process comprising: providing a leaf structure from a plant leaf, where the provided leaf structure is a leaf skeleton; pretreating the leaf structure by means of a treatment medium to alter the electrical properties of the leaf structure in order to form a pretreated leaf structure; treating the pretreated leaf structure by means of a metal ion solution such that the leaf structure has a metallic coating; and heating the coated leaf structure in such a way that the leaf skeleton is converted to graphene, in order to form the metallized graphene fibre structure.

Description

Flexible, biologisch abbaubare, metallisierte Graphen-Faserstruktur und Verfahren zum Herstellen dergleichen Flexible, biodegradable, metallized graphene fiber structure and method for producing the same
Beschreibung Description
Verschiedene Ausführungsformen betreffen eine flexible, biologisch abbaubare, metallisierte Graphen-Faserstruktur und ein Verfahren zum Herstellen einer flexiblen, biologisch abbaubaren, metallisierten Graphen-Faserstruktur. Various embodiments relate to a flexible, biodegradable, metallized graphene fiber structure and a method for making a flexible, biodegradable, metallized graphene fiber structure.
Graphen wird aufgrund seiner optischen Transparenz, seiner sehr guten elektrischen Leitfähigkeit und seiner chemischen Stabilität als Materie der Zukunft angesehen, beispielsweise in elektronischen Geräten als praktikabler Ersatz für Indiumzinnoxid (ITO). Die hervorragende mechanische Festigkeit von Graphen kann auch die Möglichkeit bieten, es als flexible Elektrode in tragbaren elektronischen Geräten einzusetzen. Außerdem, mit der Zunahme der Menge an Abfallaufkommen aus elektronischen Geräten ist es wünschenswert, zumindest ein Teil der Bestandteile der elektronischen Geräte, beispielsweise die Graphen-Faserstrukturen, recycelbar auszubilden. Graphene is considered the material of the future due to its optical transparency, very good electrical conductivity and chemical stability, for example in electronic devices as a practical replacement for indium tin oxide (ITO). The excellent mechanical strength of graphene may also offer the possibility of using it as a flexible electrode in portable electronic devices. In addition, with the increase in the amount of waste generated from electronic devices, it is desirable to make at least some of the components of electronic devices, such as the graphene fiber structures, recyclable.
US 2018/0083331 Al betrifft ein hybrides Batterie- und Kondensatorsystem, das Kohlenstoff- Nanoschichten in den Elektroden verwendet. US 2018/0083331 Al concerns a hybrid battery and capacitor system that uses carbon nanolayers in the electrodes.
Verschiedene Ausführungsformen betreffen ein Verfahren zum Herstellen einer metallisierten Graphen-Faserstruktur, welches einfache Techniken und kostengünstige, biologisch abbaubare Ausgangsmaterialien verwenden kann, und somit auf einfacher Weise effizient, kostengünstig und umweltschonend sein kann. Various embodiments relate to a method for producing a metallized graphene fiber structure, which can use simple techniques and inexpensive, biodegradable starting materials, and thus can be easily efficient, cost-effective and environmentally friendly.
Verschiedene Ausführungsformen betreffen eine flexible, biologisch abbaubare, metallisierte Graphen-Faserstruktur, welche zusätzlich zu ihrer einfachen, effizienten, kostengünstigen und umweltschonenden Herstellung eine hohe Lichttransmission und eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen kann. Various embodiments relate to a flexible, biodegradable, metallized graphene fiber structure, which, in addition to its simple, efficient, cost-effective and environmentally friendly production, can have high light transmission and high electrical conductivity.
In verschiedenen Aspekten kann ein Verfahren zum Herstellen einer flexiblen, biologisch abbaubaren, metallisierten Graphen-Faserstruktur bereitgestellt werden, das Verfahren aufweisend: Bereitstellen einer Blattstruktur aus einem Pflanzenblatt, wobei die bereitgestellte Blattstruktur ein Blattskelett ist; Vorbehandeln der Blattstruktur mittels eines Behandlungsmittels zum Verändern der elektrischen Eigenschaften der Blattstruktur, um eine vorbehandelte Blattstruktur zu bilden; Behandeln der vorbehandelten Blattstruktur mittels einer Metall-Ionen-Lösung derart, dass die Blattstruktur eine metallische Beschichtung (z.B. eine durchgehend geschlossene, metallische Beschichtung) aufweisen kann; Erhitzen der beschichteten Blattstruktur derart, dass das Blattskelett zu Graphen umgewandelt werden kann, um die metallisierte Graphen-Faserstruktur zu bilden. In various aspects, a method for producing a flexible, biodegradable, metallized graphene fiber structure may be provided, the method comprising: providing a leaf structure from a plant leaf, wherein the provided leaf structure is a leaf skeleton; pretreating the leaf structure using a treatment agent for changing the electrical properties of the leaf structure to form a pretreated leaf structure; treating the pretreated leaf structure using a metal ion solution such that the leaf structure may have a metallic coating (e.g., a continuous, closed metallic coating); heating the coated leaf structure such that the leaf skeleton may be converted to graphene to form the metallized graphene fiber structure.
Durch die Kombination des Vorbehandelns und des Behandelns der Blattstruktur, kann ein Umwandeln der Blattstruktur in eine Graphen-Faserstruktur mittels Erhitzens der vorbehandelten, Metall-beschichteten Blattstruktur auf einfacher Weise erfolgen. Dabei können beispielsweise Hightech-Ausrüstungen (z.B. chemische Gasphasenabscheidung, physikalische Gasphasenabscheidung, Vakuumkammern/inerte Atmosphäre) oder katalytische kostenintensive Lösungen unnötig sein. Außerdem kann das Metall der Beschichtung der beschichteten Blattstruktur während des Erhitzens gesintert werden. Dadurch kann die daraus resultierende metallisierte Graphen-Faserstruktur eine höhere mechanische Beständigkeit aufweisen. Ferner, durch das Verwenden von einer in der Natur vorkommenden quasifraktalen Blattstruktur, welche mittels einer kostengünstigen Metall- lonen-Lösung (z.B. ohne alternative, bereits bekannte aber kostspielige Metall-Partikel- Fülltechniken) behandelt, modifiziert und/oder beschichtet wird, kann ein umweltschonendes, kostengünstiges Verfahren zum Herstellen einer flexiblen, biologisch abbaubaren, metallisierten Graphen-Faserstruktur bereitgestellt werden. Das Verfahren kann ermöglichen, eine flexible, bedruckbare, biologisch abbaubare, umweltfreundliche, kostengünstige Graphen-Faserstruktur herzustellen, welche beispielsweise als Bauteil für organische elektronische Vorrichtungen verwendet werden kann. By combining pretreatment and treatment of the sheet structure, the sheet structure can be converted into a graphene fiber structure by heating the pretreated, metal-coated sheet structure in a simple manner. For example, high-tech equipment (e.g. chemical vapor deposition, physical vapor deposition, vacuum chambers/inert atmosphere) or catalytic cost-intensive solutions may be unnecessary. In addition, the metal of the coating of the coated sheet structure can be sintered during heating. As a result, the resulting metallized graphene fiber structure can have a higher mechanical resistance. Furthermore, by using a naturally occurring quasi-fractal sheet structure, which is treated, modified and/or coated using a low-cost metal ion solution (e.g. without alternative, already known but costly metal particle filling techniques), an environmentally friendly, cost-effective method for producing a flexible, biodegradable, metallized graphene fiber structure can be provided. The process can make it possible to produce a flexible, printable, biodegradable, environmentally friendly, cost-effective graphene fiber structure, which can be used, for example, as a component for organic electronic devices.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Behandlungsmittel Tridodecylmethylammoniumchlorid (TDMAC) oder Chitosan aufweisen oder daraus bestehen. According to various embodiments, the treating agent may comprise or consist of tridodecylmethylammonium chloride (TDMAC) or chitosan.
Das Behandlungsmittel kann ermöglichen, dass eine einfache Metall-Lösung (z.B. auch Metall-Ionen-Lösung genannt), beispielsweise ohne Nanopartikeln und/oder Nanodrähte, für das Metallbeschichten der Blattstruktur (z.B. für das Behandeln der Blattstruktur) verwendet werden kann. Ferner kann das Behandlungsmittel die Haftung der Metallschicht an die Blattadern der Blattstruktur verbessern. Dadurch kann das Metallbeschichten (z.B. während des Behandelns) der somit vorbehandelten Blattstruktur beispielsweise mittels eines einfachen Eintauchens (z.B. mittels eines Tauchvorgangs oder eines Tauchbeschichtens (dip-coating)) ohne weitere Behandlungsbedarf der Blattstruktur ermöglicht werden. Weiterhin kann das Behandlungsmittel die Fasern der Blattstruktur vor chemischen und/oder mechanischen Beschädigungen schützen. Beispielsweise kann das Behandlungsmittel vor Beschädigungen schützen, welche durch die in der Metall-Ionen-Lösung vorhandenen Lösungsmitteln verursacht werden können. The treatment agent can enable a simple metal solution (e.g. also called metal ion solution), for example without nanoparticles and/or nanowires, to be used for metal coating the leaf structure (e.g. for treating the leaf structure). Furthermore, the treatment agent can improve the adhesion of the metal layer to the leaf veins of the leaf structure. This can enable metal coating (e.g. during treatment) of the thus pretreated leaf structure, for example by means of a simple immersion (e.g. by means of a dipping process or dip coating) without the need for further treatment of the leaf structure. Furthermore, the treatment agent can protect the fibers of the leaf structure from chemical and/or mechanical damage. For example, the treatment agent can protect against damage that can be caused by the solvents present in the metal ion solution.
TDMAC und Chitosan haben den Vorteil, dass sie kostengünstig sind. Außerdem können die elektrische Leitfähigkeit und die Transparenz (z.B. die Lichtdurchlässigkeit oder die Lichttransmission) der resultierenden Graphen-Faserstruktur abhängig von der Konzentration von TDMAC oder Chitosan variiert werden. TDMAC and chitosan have the advantage of being cost-effective. In addition, the electrical conductivity and transparency (e.g. light permeability or light transmission) of the resulting graphene fiber structure can be varied depending on the concentration of TDMAC or chitosan.
Chitosan hat den weiteren Vorteil, dass es nicht-giftig ist, und biologisch abbaubar ist, sodass der gesamte Herstellungsprozess ausschließlich auf biokompatiblen Materialien basieren kann. Chitosan kann ferner ermöglichen, dass eine bessere und gründlichere Beschichtung der Fasern der Blattstruktur, eine verbesserte Flexibilität der Blattstruktur ohne das Blattskelett zu überlasten, und eine verbesserte Hydrophilie der Fasern der Blattstruktur erreicht werden können, welche dafür sorgen kann, dass die Fasern des Blattskeletts geschmeidig bleiben, indem sie die Feuchtigkeit einschließen können. Chitosan has the additional advantage of being non-toxic and biodegradable, so that the entire manufacturing process can be based exclusively on biocompatible materials. Chitosan can also enable a better and more thorough coating of the fibers of the leaf structure, improved flexibility of the leaf structure without overloading the leaf skeleton, and improved hydrophilicity of the fibers of the leaf structure. which can ensure that the fibers of the leaf skeleton remain supple by locking in moisture.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Blattstruktur während des Vorbehandelns mit einer Polymerschicht beschichtet werden, wobei die Polymerschicht mittels des Behandlungsmittels gebildet werden kann. Dabei kann die Polymerschicht beispielsweise die Blattstruktur derart beschichten, dass die Blattadern der Blattstruktur mit der Polymerschicht konform z.B., vollumfänglich umgeben beschichtet werden können. According to various embodiments, the leaf structure can be coated with a polymer layer during the pretreatment, wherein the polymer layer can be formed by means of the treatment agent. The polymer layer can, for example, coat the leaf structure in such a way that the leaf veins of the leaf structure can be coated with the polymer layer in a conformal manner, e.g., completely surrounded.
Die Polymerschicht, beispielsweise aufweisend oder bestehend aus Chitosan, kann der Blattstruktur (z.B. jeder Blattader der Blattstruktur) einen Schutz vor Umgebungsfeuchtigkeit und/oder Sauerstoff verleihen. Somit kann ermöglicht werden, dass das Umwandeln des Blattskeletts der Blattstruktur unter Bedingungen erfolgen kann, welche keine inerte Atmosphäre und/oder Vakuum benötigen. The polymer layer, for example comprising or consisting of chitosan, can provide the leaf structure (e.g. each leaf vein of the leaf structure) with protection from ambient moisture and/or oxygen. This can enable the transformation of the leaf skeleton of the leaf structure to take place under conditions that do not require an inert atmosphere and/or vacuum.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Metall-Ionen-Lösung ein Metall aufweisen, beispielsweise wobei das Metall Silber sein kann. According to various embodiments, the metal ion solution may comprise a metal, for example, wherein the metal may be silver.
Silber kann beispielsweise den Vorteil haben, dass die Silber-Beschichtung selbst bei Oxidation unter Umgebungsbedingungen, z.B. in Silber(I)-Oxid (Ag2Ü), eine gute elektrische Leitfähigkeit behalten kann. Das kann beispielsweise eine bessere Alternative sein als Kupfer (Cu), welches beispielsweise in Kupferoxid (CuO) oder Kupfer(I)-Oxid (C112O) unter Umgebungsbedingungen oxidiert werden kann, wobei die korrespondierende elektrische Leitfähigkeit von Kupferoxid (CuO) oder Kupfer(I)-Oxid (Q12O) im Vergleich zu Silber(I)- Oxid (Ag2O) (d.h. nach Oxidation) niedriger sein kann. Silver, for example, can have the advantage that the silver coating can retain good electrical conductivity even when oxidized under ambient conditions, eg to silver(I) oxide (Ag2O). This can be a better alternative than copper (Cu), which can be oxidized, for example, to copper oxide (CuO) or copper(I) oxide (C112O) under ambient conditions, whereby the corresponding electrical conductivity of copper oxide (CuO) or copper(I) oxide (Q12O) can be lower compared to silver(I) oxide ( Ag2O ) (ie after oxidation).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Behandeln der vorbehandelten Blattstruktur ferner ein Abscheiden einer weiteren Metallschicht mit einem weiteren Metall auf der beschichteten Blattstruktur aufweisen, um eine doppelt-beschichtete Blattstruktur zu bilden. Dabei kann das weitere Metall beispielsweise Kupfer sein. According to various embodiments, treating the pretreated sheet structure may further comprise depositing a further metal layer comprising a further metal on the coated sheet structure to form a double-coated sheet structure. The further metal may be, for example, copper.
Die weitere Metallschicht kann derart ausgebildet sein, dass die Lichtdurchlässigkeit (z.B. Lichttransmission) der daraus resultierenden Graphen-Faserstruktur, im Vergleich zu der Graphen-Faserstruktur mit einer Metallschicht mit einem einzigen Metall, erhöht werden kann, während eine zumindest genauso gute elektrische Leitfähigkeit behalten werden kann. Dabei kann beispielsweise die (erste) Metallschicht als Keimschicht (seed layer) für die weitere Metallschicht ausgebildet sein. Z.B. kann die (erste) Metallschicht eine dünnere Schichtdicke aufweisen in der doppelt-beschichteten Blattstruktur als in der Blattstruktur, welche mit einer Metallschicht mit einem einzigen Metall beschichtet ist. The further metal layer can be designed such that the light permeability (e.g. light transmission) of the resulting graphene fiber structure can be increased compared to the graphene fiber structure with a metal layer with a single metal, while at least as good electrical conductivity can be maintained. For example, the (first) metal layer can be designed as a seed layer for the further metal layer. For example, the (first) metal layer can have a thinner layer thickness in the double-coated sheet structure than in the sheet structure which is coated with a metal layer with a single metal.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann eine flexible, biologisch abbaubare Graphen-Faserstruktur bereitgestellt werden. Die Graphen-Faserstruktur kann beispielweise als Bauteil für organische elektronische Bauelemente und/oder Vorrichtungen verwendet werden. Dabei kann die Graphen-Faserstruktur eine Pflanzenblatt-Graphen-Kernstruktur aufweisen. Die Pflanzenblatt- Graphen-Kernstruktur kann mit einer Metallschicht (z.B. mit einer ersten Metallschicht) beschichtet sein, wobei die Metallschicht beispielsweise eine Silberschicht sein kann. According to a further aspect, a flexible, biodegradable graphene fiber structure can be provided. The graphene fiber structure can be used, for example, as a component for organic electronic components and/or devices. The graphene fiber structure can have a plant leaf graphene core structure. The plant leaf Graphene core structure can be coated with a metal layer (e.g. with a first metal layer), wherein the metal layer can be, for example, a silver layer.
Dadurch, dass die Graphen-Faserstruktur aus in der Natur vorkommende, weit verbreitete Rohstoffen (Pflanzenblattstruktur) aufweist oder daraus besteht, kann die Graphen- Faserstruktur kostengünstig hergestellt und einfach wiederverwertet und/oder zersetzt werden. Because the graphene fiber structure comprises or consists of naturally occurring, widely available raw materials (plant leaf structure), the graphene fiber structure can be produced cost-effectively and easily recycled and/or decomposed.
Außerdem, aufgrund ihrer flexiblen, vernetzten Struktur (beispielsweise multiskalige Verbindungen der Blattadern innerhalb des Skeletts bilden ein fraktal-artiges (quasi-fraktales) Gerüst oder Skelett), kann die Pflanzenblattstruktur dem Substrat eine erhöhte mechanische und/oder strukturelle Stabilität verleihen. Furthermore, due to its flexible, interconnected structure (e.g., multiscale connections of leaf veins within the skeleton form a fractal-like (quasi-fractal) framework or skeleton), the plant leaf structure can provide increased mechanical and/or structural stability to the substrate.
Ausführungsformen sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Embodiments are shown in the figures and are explained in more detail below.
Es zeigen Show it
Figur 1 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer flexiblen, biologisch abbaubaren, metallisierten Graphen-Faserstruktur, gemäß verschiedenen Ausführungsformen; Figure 1 is a schematic flow diagram of a method for producing a flexible, biodegradable, metallized graphene fiber structure, according to various embodiments;
Figuren 2A-C Ansichten von einem Pflanzenblatt während und nach dem Bereitstellen der Blattstruktur, gemäß verschiedenen Ausführungsformen; Figures 2A-C show views of a plant leaf during and after providing the leaf structure, according to various embodiments;
Figur 3 schematische Seitenansichten des Schritts des Behandelns der vorbehandelten Blattstruktur, gemäß verschiedenen Ausführungsformen; und Figure 3 schematic side views of the step of treating the pretreated sheet structure, according to various embodiments; and
Figuren 4A-C Ansichten von Blattstrukturen vor und nach der Metallbeschichtung, gemäß verschiedenen Ausführungsformen; und Figures 4A-C show views of leaf structures before and after metal coating, according to various embodiments; and
Figur 5 eine hydroionische Batterie, gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Figure 5 shows a hydroionic battery according to various embodiments.
In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die Teil dieser bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. In dieser Hinsicht wird Richtungsterminologie wie etwa „oben“, „unten“, „vorne“, „hinten“, „vorderes“, „hinteres“, usw. mit Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Figur(en) verwendet. Da Komponenten von Ausführungsformen in einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert. In the following detailed description, reference is made to the accompanying drawings which form a part hereof, and in which is shown by way of illustration specific embodiments in which the invention may be practiced. In this regard, directional terminology such as "top", "bottom", "front", "back", "fore", "rear", etc. will be used with reference to the orientation of the figure(s) being described. Since components of embodiments may be positioned in a number of different orientations, the directional terminology is for purposes of illustration and is in no way limiting. It is to be understood that other embodiments may be utilized and structural or logical changes may be made without departing from the scope of the present invention. It is to be understood that the features of the various exemplary embodiments described herein may be combined with one another unless specifically stated otherwise. The following description is therefore not to be taken in a limiting sense. and the scope of the present invention is defined by the appended claims.
Im Rahmen dieser Beschreibung wird der Begriff „Blattstruktur“ (auch Blattskelett oder Blattgerüst genannt) beispielsweise so verstanden, dass es sich um ein Pflanzenblatt handelt, das Pflanzengewebe (z.B. Biomasse) davon im Wesentlichen vollständig derart entfernt ist, dass nur das Skelett oder Gerüst des Pflanzenblatts, beispielsweise unter anderem aus Cellulose, Lignin und/oder Hemicellulose, welches eine zusammenhängende und/oder vernetzte Blattaderstruktur bildet, übrig bleibt. In the context of this description, the term "leaf structure" (also called leaf skeleton or leaf framework) is understood, for example, to mean a plant leaf from which plant tissue (e.g. biomass) has been substantially completely removed such that only the skeleton or framework of the plant leaf, for example made of cellulose, lignin and/or hemicellulose, among others, which forms a coherent and/or cross-linked leaf vein structure, remains.
Im Rahmen dieser Beschreibung wird der Begriff „biologisch abbaubar“ bezüglich des Substrats so verstanden, dass es sich dabei um ein Substrat handelt, welches aus Bestandteilen und/oder Materialien, beispielsweise aus nachwachsenden Rohrstoffen, besteht, welche sich im Großteil, beispielsweise mehr als 80 %, beispielsweise mehr als 90 % davon, unter Auswirkung von externen Faktoren (Enzymen, (Mikro)Organismen, elektromagnetische Strahlungen (z.B. UV- und Licht- Strahlungen), Druck, Lösungsmittel (z.B. Wasser) etc. . .) innerhalb eines bestimmten Zeitraums (beispielsweise eines Zeitraumes, welcher länger als die üblichen Zeiträume des Herstellungsprozesses des Substrats und/oder der organischen elektronischen Bauelemente, beispielsweise 10, 20, 50 mal länger) in seine elementaren Bestandteile wie Kohlenstoff, Sauerstoff, Wasserstoff, Kohlenstoffdioxid, Humine etc. . . und/oder weitere Mineralien auflösen oder zersetzen können. In the context of this description, the term "biodegradable" with regard to the substrate is understood to mean that it is a substrate which consists of components and/or materials, for example renewable raw materials, the majority of which, for example more than 80%, for example more than 90% of which, can dissolve or decompose into its elementary components such as carbon, oxygen, hydrogen, carbon dioxide, humic acids, etc. . . and/or other minerals under the influence of external factors (enzymes, (micro)organisms, electromagnetic radiation (e.g. UV and light radiation), pressure, solvents (e.g. water), etc. . . ) within a certain period of time (for example a period of time which is longer than the usual periods of the manufacturing process of the substrate and/or the organic electronic components, for example 10, 20, 50 times longer).
Der Begriff „Metall-Ionen“ bezüglich der Lösung zum Beschichten der Blattstruktur wird im Rahmen dieser Beschreibung mit der Bedeutung verwendet, um eine Lösung zu beschreiben, in welcher das Metall in der Lösung im Wesentlichen gelöst oder teilweise in Suspension ist (z.B. in welcher das Metall in der Lösung im Wesentlichen gelöst und optional teilweise in Suspension ist). Dabei sind Lösungen aufweisend Metall-Nanopartikel oder Metall- Nanodrähte, beispielsweise in Suspension in der Lösung, keine Metall-Ionen-Lösung im Sinne dieser Erfindung. The term "metal ions" in relation to the solution for coating the sheet structure is used in this description to mean a solution in which the metal is essentially dissolved in the solution or partially in suspension (e.g. in which the metal is essentially dissolved in the solution and optionally partially in suspension). Solutions comprising metal nanoparticles or metal nanowires, for example in suspension in the solution, are not a metal ion solution in the sense of this invention.
Der Begriff „flexibel“ bezüglich der Graphen-Faserstruktur wird im Rahmen dieser Beschreibung mit der Bedeutung verwendet, dass die Graphen-Faserstruktur beschädigungsfrei bis zu geringen Biegeradien in mehrere Faltrichtungen biegbar, biegsam, elastisch, beweglich und/oder gelenkig ist. The term “flexible” with regard to the graphene fiber structure is used in this description to mean that the graphene fiber structure is bendable, flexible, elastic, mobile and/or articulated in several folding directions up to small bending radii without damage.
Im Rahmen dieser Beschreibung wird der Begriff „Graphen-Faserstruktur“ verwendet, um eine Struktur zu bezeichnen, welche wenigstens teilweise Graphen und/oder Graphit aufweist, beispielsweise Graphen und optional Graphit. Die hiermit beschriebene Graphen- Faserstruktur kann als solche vollfunktional beispielsweise als elektrisch leitfähiges Bauelement für elektronische Vorrichtungen verwendet werden. Beispielsweise kann die hiermit beschriebene Graphen-Faserstruktur eine Kernstruktur, beispielsweise Pflanzenblatt- Graphen-Kernstruktur genannt, welche wenigstens teilweise Graphen und/oder Graphit (beispielsweise Graphen und optional Graphit) aufweist; eine auf der Kernstruktur abgeschiedene Polymerschicht; und wenigstens eine auf der Polymerschicht abgeschiedene Metallschicht aufweisen. In the context of this description, the term "graphene fiber structure" is used to refer to a structure which at least partially comprises graphene and/or graphite, for example graphene and optionally graphite. The graphene fiber structure described here can be used as such in a fully functional manner, for example as an electrically conductive component for electronic devices. For example, the graphene fiber structure described here can be a core structure, for example called a plant leaf graphene core structure, which at least partially comprises graphene and/or graphite (for example graphene and optionally graphite); a core structure deposited polymer layer; and at least one metal layer deposited on the polymer layer.
Im Rahmen dieser Beschreibung wird der Begriff „Pflanzenblatt-Graphen-Kernstruktur“ so verstanden, dass es sich dabei um die Pflanzenblattstruktur (auch Pflanzenblatt-Gerüst oder - Skelett genannt), z.B. unter anderem aus Cellulose, Lignin und/oder Hemicellulose, welche beispielsweise mittels Energieeintrags (z.B. Wärme) wenigstens teilweise in Graphen und/oder Graphit (beispielsweise Graphen und optional Graphit) umgewandelt wird. Die hiermit beschriebene Pflanzenblatt-Graphen-Kernstruktur ist beispielsweise ein Teil der Graphen-Faserstruktur (z.B. der Kem der Graphen-Faserstruktur). In the context of this description, the term "plant leaf graphene core structure" is understood to mean the plant leaf structure (also called plant leaf framework or skeleton), e.g. made of cellulose, lignin and/or hemicellulose, which is at least partially converted into graphene and/or graphite (e.g. graphene and optionally graphite) by means of energy input (e.g. heat). The plant leaf graphene core structure described here is, for example, part of the graphene fiber structure (e.g. the core of the graphene fiber structure).
Figur 1 veranschaulicht ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer flexiblen, biologisch abbaubaren Graphen-Faserstruktur, gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Figure 1 illustrates a schematic flow diagram of a method for producing a flexible, biodegradable graphene fiber structure, according to various embodiments.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Verfahren 1 zum Herstellen einer flexiblen, biologisch abbaubaren, metallisierten Graphen-Faserstruktur ein Bereitstellen 100 einer Blattstruktur 10 aus einem Pflanzenblatt aufweisen. Dabei kann die bereitgestellte Blattstruktur ein Blattskelett sein. Das Verfahren 1 kann ferner ein Vorbehandeln 200 der Blattstruktur 10 mittels eines Behandlungsmittels zum Verändern der elektrischen Eigenschaften der Blattstruktur 10 aufweisen, um eine vorbehandelte Blattstruktur 20 zu bilden. Außerdem kann das Verfahren 1 ein Behandeln 300 der vorbehandelten Blattstruktur 20 mittels einer Metall-Ionen-Lösung 30 derart aufweisen, dass die Blattstruktur 24 eine metallische Beschichtung (z.B. eine durchgehend geschlossene, metallische Beschichtung) aufweisen kann. Weiterhin kann das Verfahren 1 beispielsweise ein Erhitzen 400 der beschichteten Blattstruktur 24 derart, dass das Blattskelett zu Graphen umgewandelt werden kann, um die metallisierte Graphen-Faserstruktur zu bilden. According to various embodiments, the method 1 for producing a flexible, biodegradable, metallized graphene fiber structure can comprise providing 100 a leaf structure 10 from a plant leaf. The leaf structure provided can be a leaf skeleton. The method 1 can further comprise pretreating 200 the leaf structure 10 by means of a treatment agent for changing the electrical properties of the leaf structure 10 in order to form a pretreated leaf structure 20. In addition, the method 1 can comprise treating 300 the pretreated leaf structure 20 by means of a metal ion solution 30 such that the leaf structure 24 can have a metallic coating (e.g. a continuously closed metallic coating). Furthermore, the method 1 can, for example, comprise heating 400 the coated leaf structure 24 in such a way that the leaf skeleton can be converted to graphene in order to form the metallized graphene fiber structure.
Durch die Kombination des Vorbehandelns und des Behandelns der Blattstruktur, kann ein Umwandeln der Blattstruktur in eine Graphen-Faserstruktur mittels Erhitzens der vorbehandelten, Metall-beschichteten Blattstruktur auf einfacher Weise erfolgen, beispielsweise ohne Hightech-Ausrüstung (z.B. chemische Gasphasenabscheidung, physikalische Gasphasenabscheidung, Vakuumkammern/inerte Atmosphäre) oder ohne katalytische kostenintensive Lösungen. Ferner, durch das Verwenden von einer in der Natur vorkommenden quasifraktalen Blattstruktur, welche mittels einer kostengünstigen Metall- Ionen-Lösung (z.B. ohne alternative, bereits bekannte aber kostspieligen Metall-Partikel- Fülltechniken) behandelt, modifiziert und/oder beschichtet wird, kann ein umweltschonendes, kostengünstiges Verfahren zum Herstellen einer flexiblen, biologisch abbaubaren, metallisierten Graphen-Faserstruktur bereitgestellt werden. Das Verfahren kann ermöglichen, eine flexible, bedruckbare, biologisch abbaubare, umweltfreundliche, kostengünstige Graphen-Faserstruktur herzustellen, welche beispielsweise als Bauteil für organische elektronische Vorrichtungen verwendet werden kann. By combining pretreatment and treating the sheet structure, converting the sheet structure into a graphene fiber structure by heating the pretreated, metal-coated sheet structure can be done in a simple manner, for example without high-tech equipment (e.g. chemical vapor deposition, physical vapor deposition, vacuum chambers/inert atmosphere) or without catalytic cost-intensive solutions. Furthermore, by using a naturally occurring quasi-fractal sheet structure which is treated, modified and/or coated using a low-cost metal ion solution (e.g. without alternative, already known but costly metal particle filling techniques), an environmentally friendly, cost-effective method for producing a flexible, biodegradable, metallized graphene fiber structure can be provided. The process can make it possible to produce a flexible, printable, biodegradable, environmentally friendly, cost-effective graphene fiber structure, which can be used, for example, as a component for organic electronic devices.
Das Verfahren 1 wird anhand der Figuren 2 und 3 in Detail beschrieben. Figuren 2A-C veranschaulichen Ansichten von einem Pflanzenblatt während und nach dem Bereitstellen der Blattstruktur, gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Method 1 is described in detail using Figures 2 and 3. Figures 2A-C illustrate views of a plant leaf during and after providing the leaf structure, according to various embodiments.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Bereitstellen 100 einer Blattstruktur 10 ein Bereitstellen 102 eines Pflanzenblatts, wobei das Pflanzenblatt Blattadem und eine zwischen und/oder um den Blattadern angeordnete Pflanzengewebe (z.B. Biomasse) aufweist; ein Behandeln 104 des Pflanzenblatts derart, dass das Pflanzengewebe aus dem Pflanzenblatt entfernt werden kann; und ein Trocknen 106 des behandelten Pflanzenblatts aufweisen, um die Blattstruktur 10 zu bilden. According to various embodiments, providing 100 a leaf structure 10 may comprise providing 102 a plant leaf, the plant leaf comprising leaf veins and a plant tissue (e.g., biomass) disposed between and/or around the leaf veins; treating 104 the plant leaf such that the plant tissue can be removed from the plant leaf; and drying 106 the treated plant leaf to form the leaf structure 10.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Blattstruktur 10 ein Pflanzenblattskelett oder ein Pflanzenblattgerüst sein. Beispielsweise kann die Blattstruktur aus einem Pflanzenblatt hergestellt werden, welches entgrünt worden sein kann. In der Blattstruktur 10 können beispielsweise von dem Pflanzenblatt im Wesentlichen nur die Blattadern übrig bleiben (z.B. ohne Pflanzengewebe). Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die Blattadern dabei beispielsweise im Wesentlichen ihre dreidimensionale, beispielsweise netzwerkartige und/oder quasifraktale Struktur behalten, welche sie in dem Pflanzenblatt vor dem Behandeln hatten. According to various embodiments, the leaf structure 10 can be a plant leaf skeleton or a plant leaf framework. For example, the leaf structure can be made from a plant leaf that may have been degreened. In the leaf structure 10, for example, essentially only the leaf veins can remain from the plant leaf (e.g. without plant tissue). According to various embodiments, the leaf veins can, for example, essentially retain their three-dimensional, for example network-like and/or quasi-fractal structure that they had in the plant leaf before treatment.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Pflanzenblatt beispielsweise aus lokalen Pflanzen herkommen. Beispielsweise kann das Pflanzenblatt aus Magnolia Baum, Kautschukbaum (z.B. Hevea brasiHensis). Bodhi Baum (z.B. Ficus reHgiosa). Rotbusche (z.B. Fagus sylvatica) oder aus Pflanzen mit großen Blättern (z.B. Lotus, Rhabarber, Bananenstauden etc.) stammen. Das Pflanzenblatt kann vor dem Behandeln gewaschen werden, beispielsweise mittels eines Lösungsmittels, beispielsweise eines alkoholischen Lösungsmittels. According to various embodiments, the plant leaf can, for example, come from local plants. For example, the plant leaf can come from magnolia tree, rubber tree (e.g. Hevea brasiHensis), Bodhi tree (e.g. Ficus reHgiosa), Rooibos (e.g. Fagus sylvatica) or from plants with large leaves (e.g. lotus, rhubarb, banana trees, etc.). The plant leaf can be washed before treatment, for example by means of a solvent, for example an alcoholic solvent.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Behandeln 104 des Pflanzenblatts ein Eintauchen des Pflanzenblatts in ein alkalisches Medium aufweisen, beispielsweise zusammen mit einem Erwärmen des in dem alkalischen Medium eingetauchten Pflanzenblatts (beispielsweise bei einer Temperatur in einem Bereich von 60°C bis 100°C), um die Blattstruktur zu bilden. According to various embodiments, treating 104 the plant leaf may comprise immersing the plant leaf in an alkaline medium, for example together with heating the plant leaf immersed in the alkaline medium (for example at a temperature in a range of 60°C to 100°C) to form the leaf structure.
Beispiel des Bereitstellens 100 der Blattstruktur 10 Example of providing 100 the leaf structure 10
Magnolienblätter wurden frisch von lokalen Pflanzen beschafft und unter fließendem Wasser gewaschen, bevor sie für 10 Minuten in ein Ultraschallbad mit Ethanol gelegt wurden, um Verunreinigungen zu entfernen. Die Blätter wurden dann auf eine Größe von 2,5 x 2,5 cm geschnitten, und anschließend wurden die Proben in eine wässrige Lösung von Na2CO3.10 H2O (Natriumcarbonat-Decahydrat/Waschsoda) in demineralisiertem Wasser gelegt und über Nacht bei einer konstanten Temperatur von 90°C unter Rühren erhitzt. Die zu verwendende Menge an Na2CÜ3.10 H2O wurde durch einfaches Erhöhen der Menge bestimmt, bis sich die Verbindung nicht mehr auflöste. Dann wurden die Proben entnommen und in ein separates Gefäß mit frischem destilliertem Wasser bei Raumtemperatur gegeben, das anschließend für 20 Minuten in ein Ultraschallbad gestellt wurde. Der gesamte Vorgang wurde so lange wiederholt, bis sich das Wasser nach dem Badevorgang nicht mehr verfärbte. Die Blattrippen waren zu diesem Zeitpunkt deutlich sichtbar (siehe Figur 2A, welche ein Magnolienblatt während des alkalischen Verfahrens zeigt) und ein leichtes Abbürsten mit behandschuhten Fingern reichte aus, um überschüssige Biomasse zu entfernen. Die Blattskelette wurden anschließend 15 Minuten lang in einer 10%igen Bleichlösung gebleicht, bevor sie getrocknet und mit Gewichten geglättet wurden. Magnolia leaves were freshly obtained from local plants and washed under running water before being placed in an ultrasonic bath with ethanol for 10 minutes to remove contaminants. The leaves were then cut to a size of 2.5 x 2.5 cm and subsequently the samples were placed in an aqueous solution of Na2CO3.10 H2O (sodium carbonate decahydrate/washing soda) in demineralized water and heated overnight at a constant temperature of 90°C with stirring. The amount of Na2CO3.10 H2O to be used was determined by simply increasing the amount until the compound no longer dissolved. The samples were then removed and placed in a separate vessel containing fresh distilled water at room temperature, which was then placed in an ultrasonic bath for 20 minutes. The entire process was repeated until the water no longer changed color after the bath. The leaf veins were clearly visible at this point (see Figure 2A, which shows a magnolia leaf during the alkaline process) and a light brushing with gloved fingers was sufficient to remove excess biomass. The leaf skeletons were then bleached in a 10% bleach solution for 15 minutes before being dried and smoothed with weights.
Figur 2B zeigt das Magnolienblatt nach dem alkalischen Behandeln. Figur 2C zeigt das behandelte Magnolienblatt unter Vergrößerung (Maßstabsleiste - 500 pm). Figure 2B shows the magnolia leaf after alkaline treatment. Figure 2C shows the treated magnolia leaf under magnification (scale bar - 500 pm).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die bereitgestellte Blattstruktur 10 vor dem Beschichten mit einer Metallschicht einem Vorbehandeln 200 mittels eines Behandlungsmittels unterzogen werden. Dabei kann das Behandlungsmittel die elektrischen Eigenschaften der Blattstruktur 10 modifizieren oder verändern. Beispielsweise kann das Behandlungsmittel die Fasern (z.B. die Oberfläche) der Blattadern der Blattstruktur 10 mit wenigstens teilweise positiven Ladungen laden. According to various embodiments, the leaf structure 10 provided can be subjected to a pretreatment 200 using a treatment agent before being coated with a metal layer. The treatment agent can modify or change the electrical properties of the leaf structure 10. For example, the treatment agent can charge the fibers (e.g. the surface) of the leaf veins of the leaf structure 10 with at least partially positive charges.
Das Behandlungsmittel kann durch das Verändern der elektrischen Eigenschaften der Blattstruktur ermöglichen, dass bei dem Schritt des Metallbeschichtens (z.B. des Behandelns) der Blattstruktur eine normale Metall-Lösung (z.B. Metall-Ionen-Lösung), beispielsweise ohne Nanopartikel und/oder Nanodrähte, verwendet werden kann. Ferner kann das Behandlungsmittel die Haftung der Metallschicht an die Blattadem verbessern. Dadurch kann das Metallbeschichten der somit vorbehandelten Blattstruktur beispielsweise mittels eines einfachen Eintauchens (z.B. mittels eines Tauchvorgangs oder eines Tauchbeschichtens (dip- coating)) ohne weitere (Vor)Behandlungsbedarf der Blattstruktur ermöglicht werden. Weiterhin kann das Behandlungsmittel die Fasern der Blattstruktur beispielsweise vor chemischen und/oder mechanischen Beschädigungen schützen. Beispielsweise kann das Behandlungsmittel vor Beschädigungen schützen, welche durch die in der Metall-Ionen- Lösung vorhandenen Lösungsmitteln verursacht werden können. By changing the electrical properties of the leaf structure, the treatment agent can enable a normal metal solution (e.g. metal ion solution), for example without nanoparticles and/or nanowires, to be used in the step of metal coating (e.g. treating) the leaf structure. Furthermore, the treatment agent can improve the adhesion of the metal layer to the leaf vein. This makes it possible to metal coat the leaf structure thus pretreated, for example by means of a simple dipping (e.g. by means of a dipping process or dip coating) without any further (pre)treatment of the leaf structure. Furthermore, the treatment agent can protect the fibers of the leaf structure, for example, from chemical and/or mechanical damage. For example, the treatment agent can protect against damage that can be caused by the solvents present in the metal ion solution.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Behandlungsmittel einen lonen-Attraktor und/oder ein kationisches Polymer aufweisen oder daraus bestehen. Dadurch kann das Behandlungsmittel die Blattstruktur derart modifizieren, dass die vorbehandelte Blattstruktur die Metall-Ionen (z.B. die Metall-Partikel aus der Metall-Ionen-Lösung) elektrostatisch anziehen kann, um die Metall-Ionen an den Blattadern der Blattstruktur zu befestigen. According to various embodiments, the treatment agent can comprise or consist of an ion attractor and/or a cationic polymer. As a result, the treatment agent can modify the leaf structure in such a way that the pretreated leaf structure can electrostatically attract the metal ions (e.g. the metal particles from the metal ion solution) in order to attach the metal ions to the leaf veins of the leaf structure.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Behandlungsmittel Tridodecylmethylammoniumchlorid (TDMAC) oder Chitosan aufweisen oder daraus bestehen. According to various embodiments, the treating agent may comprise or consist of tridodecylmethylammonium chloride (TDMAC) or chitosan.
Tridodecylmethylammoniumchlorid (TDMAC) oder Chitosan können ein Metallbeschichten mittels einer kostengünstigen Metall-Ionen-Lösung ermöglichen. Somit kann es für die Metallbeschichtung vermieden werden, kostspielige Metall-Partikel-Fülltechniken, beispielsweise aufweisend Nanopartikeln oder Nanodrähte, zu verwenden, wie es beispielsweise es bei herkömmlichen Ammoniumbromid-Lösungen der Fall sein kann. Tridodecylmethylammonium chloride (TDMAC) or chitosan can enable metal coating using a cost-effective metal ion solution. Thus, it can be used for the Metal coating avoids the use of costly metal particle filling techniques, for example comprising nanoparticles or nanowires, as may be the case with conventional ammonium bromide solutions.
TDMAC und Chitosan haben den Vorteil, dass sie kostengünstig sind, beispielsweise im Vergleich zu herkömmlichen Behandlungsmitteln wie PdCh. Außerdem können die elektrische Leitfähigkeit und die Transparenz (z.B. die Lichtdurchlässigkeit) der resultierenden Graphen-Faserstruktur abhängig von der Konzentration von TDMAC oder Chitosan während des Vorbehandelns variiert, eingestellt und/oder gesteuert werden. TDMAC and chitosan have the advantage of being cost-effective, for example compared to conventional treatment agents such as PdCh. In addition, the electrical conductivity and transparency (e.g. light transmittance) of the resulting graphene fiber structure can be varied, adjusted and/or controlled depending on the concentration of TDMAC or chitosan during pretreatment.
TDMAC enthält eine positive Ladung. Ein Vorbehandeln der Blattstruktur mit TDMAC kann zu einer wenigstens teilweise positiven Ladung entlang der Fasern der Blattadern der Blattstruktur führen, um die Metall-Ionen beispielsweise an den Blattadern der Blattstruktur zu befestigen. TDMAC contains a positive charge. Pretreating the leaf structure with TDMAC can result in at least a partial positive charge along the fibers of the leaf veins of the leaf structure to attach the metal ions, for example, to the leaf veins of the leaf structure.
Chitosan ist ein natürlich vorkommendes (Bio)Polymer mit kationischen Eigenschaften, an dem Metallpartikeln befestigt werden können. Chitosan hat den Vorteil, dass es biokompatibel, nicht-giftig, und biologisch abbaubar ist, sodass der gesamte Herstellungsprozess ausschließlich auf biokompatiblen Materialien basieren kann. Chitosan kann ferner eine bessere und gründlichere Beschichtung der Fasern der Blattstruktur, eine verbesserte Flexibilität der Blattstruktur, ohne das Blattskelett zu überlasten, und eine verbesserte Hydrophilie der Fasern der Blattstruktur ermöglichen, welche dafür sorgen kann, dass die Fasern des Blattskeletts geschmeidig bleiben, indem sie die Feuchtigkeit einschließen können. Chitosan is a naturally occurring (bio)polymer with cationic properties to which metal particles can be attached. Chitosan has the advantage of being biocompatible, non-toxic and biodegradable, so that the entire manufacturing process can be based exclusively on biocompatible materials. Chitosan can also enable a better and more thorough coating of the fibers of the leaf structure, improved flexibility of the leaf structure without overloading the leaf skeleton, and improved hydrophilicity of the fibers of the leaf structure, which can ensure that the fibers of the leaf skeleton remain supple by being able to lock in moisture.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Vorbehandeln 200 der Blattstruktur ein Eintauchen der Blattstruktur in eine Lösung aufweisen, welche das Behandlungsmittel aufweist oder daraus besteht. Dabei kann das Behandlungsmittel in der Lösung beispielsweise in einer Konzentration in einem Bereich von 5 mM bis 20 mM, beispielsweise 10 mM, vorhanden sein. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Eintauchen beispielsweise bei einer Temperatur erfolgen, welche in einem Bereich von 25 °C bis 120 °C, beispielsweise von 40 °C bis 100 °C liegen kann, beispielsweise 90 °C. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Eintauchen beispielsweise für einen bestimmten Zeitraum in einem Bereich von 1 Minute bis 10 Minuten erfolgen, beispielsweise 5 Minuten. According to various embodiments, the pretreatment 200 of the leaf structure can comprise immersing the leaf structure in a solution which comprises or consists of the treatment agent. The treatment agent can be present in the solution, for example, in a concentration in a range from 5 mM to 20 mM, for example 10 mM. According to various embodiments, the immersion can be carried out, for example, at a temperature which can be in a range from 25 °C to 120 °C, for example from 40 °C to 100 °C, for example 90 °C. According to various embodiments, the immersion can be carried out, for example, for a certain period of time in a range from 1 minute to 10 minutes, for example 5 minutes.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die vorbehandelte Blattstruktur getrocknet werden, beispielsweise beim Aufhängen der vorbehandelten Blattstruktur auf einem Heißluftbügel oder an Haken zum Trocknen, beispielsweise bei Raumtemperatur. According to various embodiments, the pretreated leaf structure can be dried, for example by hanging the pretreated leaf structure on a hot air hanger or on hooks to dry, for example at room temperature.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Vorbehandeln 200 der Blattstruktur, beispielsweise mit Chitosan, derart erfolgen, dass die Blattstruktur mit einer Polymerschicht (z.B. mit einer Chitosan-Polymerschicht) beschichtet werden kann. Dabei kann die Polymerschicht beispielsweise eine durchschnittliche Schichtdicke in einem Bereich von 0,2 pm bis 200pm aufweisen, wobei die Polymerschicht beispielsweise als Keimschicht für verschiedene Metalle (z.B. Silber) verwendet werden kann. Die durchschnittliche Schichtdicke kann beispielsweise nach Viskosität und Oberflächenspannung der Polymerlösung (z.B. der Chitosanlösung) variiert werden. According to various embodiments, the pretreatment 200 of the leaf structure, for example with chitosan, can be carried out in such a way that the leaf structure can be coated with a polymer layer (for example with a chitosan polymer layer). The polymer layer can, for example, have an average layer thickness in a range from 0.2 pm to 200 pm, wherein the polymer layer can, for example, serve as a seed layer for different metals (eg silver) can be used. The average layer thickness can be varied, for example, according to the viscosity and surface tension of the polymer solution (eg the chitosan solution).
Die Polymerschicht, beispielsweise aufweisend oder bestehend aus Chitosan, kann der Blattstruktur (z.B. jeder Blattader der Blattstruktur) einen Schutz vor Umgebungsfeuchtigkeit und/oder Sauerstoff verleihen. Somit kann ermöglicht werden, dass das Umwandeln des Blattskeletts der Blattstruktur unter Bedingungen erfolgen kann, welche keine inerte Atmosphäre und/oder Vakuum benötigen. The polymer layer, for example comprising or consisting of chitosan, can provide the leaf structure (e.g. each leaf vein of the leaf structure) with protection from ambient moisture and/or oxygen. This can enable the transformation of the leaf skeleton of the leaf structure to take place under conditions that do not require an inert atmosphere and/or vacuum.
Beispiel des Vorbehandelns 200 der Blattstruktur 10 Example of pretreatment 200 of the leaf structure 10
Die Vorbehandlung der Blattstruktur erfolgt durch 5-minütiges Einweichen in einer 10 mM- Lösung von Tri-dodecylmethylammoniumchlorid (TDMAC) oder Chitosan bei 90 °C. Die erhöhte Temperatur kann die Poren der Blattstruktur thermisch erweitern, und somit ein gründliches Eindringen der TDMAC- oder Chitosan-Moleküle aus der Lösung ermöglichen. The pretreatment of the leaf structure is done by soaking it in a 10 mM solution of tri-dodecylmethylammonium chloride (TDMAC) or chitosan at 90 °C for 5 minutes. The increased temperature can thermally expand the pores of the leaf structure, thus allowing thorough penetration of the TDMAC or chitosan molecules from the solution.
Figur 3 veranschaulicht schematische Seitenansichten des Schritts des Behandelns der vorbehandelten Blattstruktur des Verfahrens zum Herstellen einer flexiblen, biologisch abbaubaren, metallisierten Graphen-Faserstruktur, gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Figure 3 illustrates schematic side views of the step of treating the pretreated sheet structure of the method for producing a flexible, biodegradable, metallized graphene fiber structure, according to various embodiments.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Behandeln 300 der vorbehandelten Blattstruktur 20 derart erfolgen, dass wenigstens einige Blattadem der Blattstruktur 20, beispielsweise jede Blattader der Blattstruktur 20, mit der Metallschicht konform z.B. vollumfänglich umgeben beschichtet werden können. Die Beschichtung der Blattadem der vorbehandelten Blattstruktur 20 mit der wenigstens einen Metallschicht kann ermöglichen, dass die elektrische Leitfähigkeit der vorbehandelten Blattstruktur 20 erhöht werden kann. According to various embodiments, the treatment 300 of the pretreated leaf structure 20 can be carried out in such a way that at least some leaf veins of the leaf structure 20, for example each leaf vein of the leaf structure 20, can be coated with the metal layer in a conformal manner, e.g. completely surrounded. The coating of the leaf veins of the pretreated leaf structure 20 with the at least one metal layer can enable the electrical conductivity of the pretreated leaf structure 20 to be increased.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Behandeln 300 der vorbehandelten Blattstruktur 20 ein Schrägeinführen 302 der vorbehandelten Blattstruktur 20 in die Metall- Lösung 30 aufweisen. Beispielsweise kann die vorbehandelte Blattstruktur 20 mit einem Winkel > relativ zur Oberfläche der Metall-Lösung 30 (z.B. von der horizontalen Ebene) in einem Bereich von 10° bis 60°in die Metall-Lösung 30 reingebracht werden. Das Schrägeinführen 302 der vorbehandelten Blattstruktur 20 in die Metall-Lösung 30 kann beispielsweise ein Ausbeulen der vorbehandelten Blattstruktur 20, und somit ein Ausbeulen der daraus resultierenden Graphen-Faserstruktur, minimieren oder verhindern. According to various embodiments, the treatment 300 of the pretreated sheet structure 20 may include an oblique introduction 302 of the pretreated sheet structure 20 into the metal solution 30. For example, the pretreated sheet structure 20 may be introduced into the metal solution 30 at an angle > relative to the surface of the metal solution 30 (e.g. from the horizontal plane) in a range of 10° to 60°. The oblique introduction 302 of the pretreated sheet structure 20 into the metal solution 30 may, for example, minimize or prevent bulging of the pretreated sheet structure 20, and thus bulging of the resulting graphene fiber structure.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Behandeln 300 der vorbehandelten Blattstruktur 20 ferner ein Eintauchen 304 der Blattstruktur 20 in der Metall-Lösung 30 aufweisen, beispielsweise derart, dass die Blattstruktur 20 vollständig in der Metall- Lösung 30 eingetaucht sein kann. Dabei kann das Eintauchen 304 beispielsweise für einen bestimmen Zeitraum von 30 Sekunden bis 2 Minuten, und/oder beispielsweise bei einer Temperatur in einem Bereich von 20°C bis 60°C, beispielsweise bei Raumtemperatur, erfolgen. In dem Fall, dass Chitosan als Polymer verwendet wird, kann die Beschichtung dabei beispielsweise auf der chemischen Adhäsion von Metallionen an den Amingruppen im Chitosan beruhen. Somit kann das Verfahren bereits bei Raumtemperatur durchgeführt werden. Die chemische Adhäsion von Metallionen kann auch funktionieren, wenn die Temperatur erhöht wird, so dass keine Energie für die Erhöhung der Temperatur aufgewendet werden muss. According to various embodiments, the treatment 300 of the pretreated sheet structure 20 may further comprise immersion 304 of the sheet structure 20 in the metal solution 30, for example such that the sheet structure 20 can be completely immersed in the metal solution 30. The immersion 304 may be carried out for a certain period of time from 30 seconds to 2 minutes, and/or for example at a temperature in a range from 20°C to 60°C, for example at room temperature. In the case that chitosan is used as the polymer, the coating may This can be based, for example, on the chemical adhesion of metal ions to the amine groups in chitosan. This means that the process can be carried out at room temperature. The chemical adhesion of metal ions can also work when the temperature is increased, so that no energy needs to be used to increase the temperature.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Metall-Ionen-Lösung 30 ein Metall aufweisen oder daraus bestehen. Das Metall kann beispielsweise Silber sein. According to various embodiments, the metal ion solution 30 may comprise or consist of a metal. The metal may be silver, for example.
Silber kann beispielsweise den Vorteil haben, dass die Silber-Beschichtung selbst bei Oxidation unter Umgebungsbedingungen, z.B. in Silber(I)-Oxid (Ag2Ü), eine gute elektrische Leitfähigkeit behalten kann. Das kann beispielsweise eine bessere Alternative sein als Kupfer (Cu), welches beispielsweise in Kupferoxid (CuO) oder Kupfer(I)-Oxid (C O) unter Umgebungsbedingungen oxidiert werden kann, wobei die korrespondierende elektrische Leitfähigkeit von Kupferoxid (CuO) oder Kupfer(I)-Oxid (Q12O) im Vergleich zu Silber(I)- Oxid (Ag2O) niedriger sein kann. Silver, for example, can have the advantage that the silver coating can retain good electrical conductivity even when oxidized under ambient conditions, e.g. in silver(I) oxide (Ag2O). This can be a better alternative than copper (Cu), which can be oxidized under ambient conditions, e.g. in copper oxide (CuO) or copper(I) oxide (CO), whereby the corresponding electrical conductivity of copper oxide (CuO) or copper(I) oxide (Q12O) can be lower than that of silver(I) oxide ( Ag2O ).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Metall-Ionen-Lösung 30 eine Viskosität aufweisen, welche in einem Bereich von IxlO'3 Pa- s bis 50 Pa s liegen kann. According to various embodiments, the metal ion solution 30 may have a viscosity that may be in a range of 1xlO' 3 Pa- s to 50 Pa s.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Verfahren ferner beispielsweise ein Entnehmen 306 (z.B. Entfernen oder Herausziehen) der Blattstruktur 20 aus der Metall- Lösung 30 aufweisen. Das Entnehmen 306 der Blattstruktur 20 aus der Metall-Lösung 30 kann beispielsweise derart erfolgen, dass eine konforme (z.B. gleichmäßige) Beschichtung der Blattstruktur 20 mit einer Metallschicht aus der Metall-Lösung 30 nahe dem Landau-Levich- Regime erreicht werden kann, um die behandelte Blattstruktur 24 zu bilden. According to various embodiments, the method may further comprise, for example, removing 306 (e.g., removing or pulling out) the leaf structure 20 from the metal solution 30. The removing 306 of the leaf structure 20 from the metal solution 30 may, for example, be performed such that a conformal (e.g., uniform) coating of the leaf structure 20 with a metal layer from the metal solution 30 near the Landau-Levich regime can be achieved to form the treated leaf structure 24.
Beispielsweise, wie in Fig.3 gezeigt, kann das Landau-Levich-Regime von einem statischen Meniskus 32 nahe der Oberfläche des Metalllösungsbades 30 ausgehen, wobei sich der dynamische Meniskus 34 direkt über dem statischen Meniskus 32 befinden kann, in dem die Flüssigkeit nach oben geschert werden kann, was zu einer gleichmäßig dicken Metallschicht 22 auf der Blattstruktur führen kann. For example, as shown in Fig.3, the Landau-Levich regime may start from a static meniscus 32 near the surface of the metal solution bath 30, with the dynamic meniscus 34 located directly above the static meniscus 32, in which the liquid may be sheared upwards, resulting in a uniformly thick metal layer 22 on the sheet structure.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann diese Schichtdicke (h) bei geringen Zuggeschwindigkeiten (~ 1 mm/s) näherungsweise wie folgt berechnet werden: According to various embodiments, this layer thickness (h) at low pulling speeds (~ 1 mm/s) can be approximately calculated as follows:
»-"JcV) (1) wobei h die Schichtdicke, > die Flüssigkeitsviskosität, V die konstante Ziehgeschwindigkeit und > Ddie Oberflächenspannung sind. »-"JcV) (1) where h is the layer thickness, > is the liquid viscosity, V is the constant pulling rate and > D is the surface tension.
Da die Landau-Levich-Gleichung (1) jedoch gut auf Newtonsche Flüssigkeiten anwendbar ist und sich die Ethylcellulose-Polymerlösung eher im nicht-newtonschen scherverdünnenden Bereich verhalten kann, können aufgrund der komplexen und nichtlinearen rheologischen Eigenschaften nicht-newtonscher Flüssigkeiten mehrere Näherungen aus der Literatur ausgewählt werden. However, since the Landau-Levich equation (1) is well applicable to Newtonian fluids and the ethyl cellulose polymer solution can behave rather in the non-Newtonian shear thinning regime, due to the complex and nonlinear rheological Properties of non-Newtonian fluids several approximations can be selected from the literature.
Eine Erweiterung der Landau-Levi ch- Analyse von Gutfinger und Tallmadge „Film of nonnewtonian fluids adhering to flat plates“, AIChE Journal, vol. 11, no. 3, p. 403-413, 1965 berücksichtigt die Scherverdünnung von nicht-newtonschen Flüssigkeiten, wobei die Schichtdicke durch die Gleichung (2) gegeben sein kann: wobei h die Schichtdicke, k die Viskosität des nicht-newtonschen Fluids, V die konstante Ziehgeschwindigkeit, > die Oberflächenspannung, > die Fluiddichte und g die Erdbeschleunigung sind. Für ein Newtonsches Fluid wäre die Viskosität keine komplexe Variante, daher kehrt die Gleichung (2) für n = 1 und k = > in das Landau-Levich-Regime zurück. An extension of the Landau-Levi ch analysis by Gutfinger and Tallmadge “Film of nonnewtonian fluids adhering to flat plates”, AIChE Journal, vol. 11, no. 3, p. 403-413, 1965 takes into account the shear thinning of non-Newtonian fluids, where the layer thickness can be given by equation (2): where h is the layer thickness, k is the viscosity of the non-Newtonian fluid, V is the constant pulling velocity, > is the surface tension, > is the fluid density and g is the acceleration due to gravity. For a Newtonian fluid, the viscosity would not be a complex variant, so equation (2) returns to the Landau-Levich regime for n = 1 and k = >.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Behandeln 300 der Blattstruktur 20 ferner einen Schritt des Trocknens 308 der behandelten Blattstruktur 24, beispielsweise um das überflüssige Metall aus der Blattstruktur 22 zu entfernen. Das Trocknen 308 kann beispielsweise beim Raumtemperatur erfolgen. According to various embodiments, the treating 300 of the sheet structure 20 may further include a step of drying 308 of the treated sheet structure 24, for example to remove the excess metal from the sheet structure 22. The drying 308 may be carried out, for example, at room temperature.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Verfahren einen Schritt eines Aushärtens der behandelten Blattstruktur aufweisen, beispielsweise bei einer Temperatur in einem Bereich von 70 °C bis 120 °C, beispielsweise 90 °C und/oder für einen bestimmten Zeitraum in einem Bereich von 5 Minuten bis 30 Minuten, beispielsweise 15 Minuten. According to various embodiments, the method may comprise a step of curing the treated sheet structure, for example at a temperature in a range of 70 °C to 120 °C, for example 90 °C and/or for a certain period of time in a range of 5 minutes to 30 minutes, for example 15 minutes.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen das Verfahren 1 ferner ein Einstellen einer vordefinierten elektrischen Leitfähigkeit der Metallschicht und/oder der daraus resultierenden Graphen-Faserstruktur mittels Einstellens einer chemischen Konzentration des Behandlungsmittels während des Vorbehandelns 200 der Blattstruktur 10. According to various embodiments, the method 1 further comprises adjusting a predefined electrical conductivity of the metal layer and/or the resulting graphene fiber structure by adjusting a chemical concentration of the treatment agent during the pretreatment 200 of the sheet structure 10.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Verfahren ferner ein Erhitzen der Metallbeschichteten Blattstruktur aufweisen derart, dass das Blattskelett zu Graphen umgewandelt werden kann, um die metallisierte Graphen-Faserstruktur zu bilden. Das Erhitzen kann beispielsweise bei einer Temperatur in einem Bereich von 500°C bis 900°C erfolgen. Beispielsweise kann die Temperatur des Erhitzens derart gewählt werden, dass das Metall der Metallbeschichtung während des Erhitzens gesintert werden kann. Dadurch kann die daraus resultierende metallisierte Graphen-Faserstruktur eine höhere mechanische Beständigkeit aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann das Erhitzen beispielsweise unter Umgebungsdruck und/oder unter Umgebungsluft erfolgen, beispielsweise aufgrund der mehrfachen Beschichtungen aus Polymeren/verschiedenen Metallen auf den Blattfasern, welche eine gute Feuchtigkeits- und Sauerstoffbarriere bilden können. Somit kann beispielsweise die Notwendigkeit einer Vakuum -/Inertumgebung während des Erhitzens verringert werden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann somit mittels des hierin beschriebenen Verfahrens eine flexible, biologisch abbaubare, metallisierte Graphen-Faserstruktur 24, beispielsweise als Bauteil für organische elektronische Bauelemente, bereitgestellt werden, wobei die Graphen-Faserstruktur 24 eine Pflanzenblatt-Graphen-Kemstruktur aufweisen kann, welche mit einer Metallschicht (z.B. mit einer ersten Metallschicht) beschichtet sein kann. Beispielsweise kann die (erste) Metallschicht eine Silberschicht sein. According to various embodiments, the method may further comprise heating the metal-coated sheet structure such that the sheet skeleton can be converted to graphene to form the metallized graphene fiber structure. The heating may, for example, be carried out at a temperature in a range of 500°C to 900°C. For example, the temperature of the heating may be chosen such that the metal of the metal coating can be sintered during heating. As a result, the resulting metallized graphene fiber structure may have a higher mechanical resistance. Alternatively or additionally, the heating may, for example, be carried out under ambient pressure and/or under ambient air, for example due to the multiple coatings of polymers/different metals on the sheet fibers, which can form a good moisture and oxygen barrier. Thus, for example, the need for a vacuum/inert environment during heating can be reduced. According to various embodiments, a flexible, biodegradable, metallized graphene fiber structure 24 can thus be provided by means of the method described herein, for example as a component for organic electronic components, wherein the graphene fiber structure 24 can have a plant leaf graphene core structure which can be coated with a metal layer (eg with a first metal layer). For example, the (first) metal layer can be a silver layer.
Dadurch, dass die Graphen-Faserstruktur aus in der Natur vorkommende, weit verbreitete Rohstoffen (Pflanzenblattstruktur) aufweist oder daraus besteht, kann die Graphen- Faserstruktur kostengünstig hergestellt und einfach wiederverwertet und/oder zersetzt werden. Because the graphene fiber structure comprises or consists of naturally occurring, widely available raw materials (plant leaf structure), the graphene fiber structure can be produced cost-effectively and easily recycled and/or decomposed.
Außerdem, aufgrund ihrer flexiblen, vernetzten Struktur (beispielsweise multiskalige Verbindungen der Blattadern innerhalb des Skeletts bilden ein fraktal-artiges (quasi-fraktales) Gerüst oder Skelett), kann die Pflanzenblattstruktur dem Substrat eine erhöhte mechanische und/oder strukturelle Stabilität verleihen. Furthermore, due to its flexible, interconnected structure (e.g., multiscale connections of leaf veins within the skeleton form a fractal-like (quasi-fractal) framework or skeleton), the plant leaf structure can provide increased mechanical and/or structural stability to the substrate.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Pflanzenblatt-Graphen-Kernstruktur eine Vielzahl von Blattadern aufweisen, wobei die Blattadern der Pflanzenblatt-Graphen- Kemstruktur konform mit der Metallschicht beschichtet sein können. Dabei kann die Beschichtung der Pflanzenblatt-Graphen-Kernstruktur derart ausgestaltet sein, dass die Metallschicht eine geschlossene Schicht (z.B. eine durchgehend geschlossene Schicht) über oder auf der Pflanzenblatt-Graphen-Kernstruktur bilden kann. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Metallschicht derart ausgebildet sein, dass Löcher, Lücken, und/oder Öffnungen zwischen zumindest einigen den Blattadern gebildet werden können. Alternativ oder zusätzlich kann die Metallschicht derart ausgebildet sein, dass die Metallschicht wenigstens zwei benachbarte Blattadern der Pflanzenblatt-Graphen- Kemstruktur miteinander verbinden kann. According to various embodiments, the plant leaf graphene core structure can have a plurality of leaf veins, wherein the leaf veins of the plant leaf graphene core structure can be coated conformally with the metal layer. The coating of the plant leaf graphene core structure can be designed such that the metal layer can form a closed layer (e.g. a continuously closed layer) over or on the plant leaf graphene core structure. According to various embodiments, the metal layer can be designed such that holes, gaps, and/or openings can be formed between at least some of the leaf veins. Alternatively or additionally, the metal layer can be designed such that the metal layer can connect at least two adjacent leaf veins of the plant leaf graphene core structure to one another.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Metallschicht der Pflanzenblatt-Graphen- Kemstruktur eine durchschnittliche Schichtdicke (z.B. um die Blattadern) aufweisen, welche in einem Bereich von 100 nm bis 500 pm liegen kann. According to various embodiments, the metal layer of the plant leaf graphene core structure may have an average layer thickness (e.g. around the leaf veins) which may be in a range of 100 nm to 500 pm.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Graphen-Faserstruktur eine Polymerschicht zwischen der Pflanzenblatt-Graphen-Kernstruktur und der Metallschicht aufweisen. Dabei kann die Polymerschicht Chitosan aufweisen oder daraus bestehen, beispielsweise wenn die Vorbehandlung mit Chitosan erfolgt. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Chitosan-Polymerschicht eine durchschnittliche Schichtdicke in einem Bereich von 0,2 pm bis 200 pm aufweisen. According to various embodiments, the graphene fiber structure can have a polymer layer between the plant leaf graphene core structure and the metal layer. The polymer layer can comprise chitosan or consist thereof, for example when the pretreatment is carried out with chitosan. According to various embodiments, the chitosan polymer layer can have an average layer thickness in a range from 0.2 pm to 200 pm.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die durch das hiermit beschriebene Verfahren hergestellte Graphen-Faserstruktur einen Flächen wider stand aufweisen, welcher in einem Bereich von 0,05 Q bis 0,6 Q liegen kann. Alternativ oder zusätzlich kann die hiermit beschriebene Graphen-Faserstruktur eine Lichttransmission aufweisen, welche in einem Bereich von 60 % bis 80 % liegen kann. According to various embodiments, the graphene fiber structure produced by the method described here can have a surface resistance which can be in a range from 0.05 Q to 0.6 Q. Alternatively or additionally, the graphene fiber structure produced here can The graphene fiber structure described can have a light transmission that can range from 60% to 80%.
Beispiel des Behandelns 300 der vorbehandelten Blatstruktur 20 Example of treating 300 the pretreated leaf structure 20
Die 2,5 cm2 groß vorbehandelten Blatstrukturen wurden im Tauchverfahren mit Silber- Siebdruckfarbe beschichtet, die im Labor auf eine geeignete Viskosität eingestellt wurde (in dem Fall eine Viskosität von 5 bis 10 Pa s). Unmittelbar nach der Beschichtung wurden die somit behandelten Blattstrukturen zwischen Labortüchern eingeklemmt, und es wurde Druck darauf ausgeübt, um die an den Fasern der Blattstruktur nicht haftende Silber-Siebdruckfarbe zu entfernen. Die Blattstrukturen wurden anschließend 15 Minuten lang bei 90 °C ausgehärtet. The 2.5 cm 2 pretreated leaf structures were dipped in silver screen printing ink that had been adjusted to a suitable viscosity in the laboratory (in this case a viscosity of 5 to 10 Pa s). Immediately after coating, the leaf structures treated in this way were clamped between laboratory tissues and pressure was applied to remove the silver screen printing ink that did not adhere to the fibers of the leaf structure. The leaf structures were then cured at 90 °C for 15 minutes.
Figuren 4A-C veranschaulichen Draufansichten von vorbehandelten Blattstrukturen vor und nach der Metallbeschichtung, gemäß verschiedenen Ausführungsformen In Detail zeigt die Figur 4A die bereitgestellte Blattstruktur nach dem Vorbehandeln 200 und vor dem Behandeln 300 (200 pm Maßstableiste). Auf den Figuren 4B (500 pm Maßstableiste) und 4C (200 pm Maßstableiste) ist eine vorbehandelte, mit Silber-beschichtete Blattstruktur gezeigt. Figures 4A-C illustrate top views of pretreated leaf structures before and after metal coating, according to various embodiments. In detail, Figure 4A shows the provided leaf structure after pretreatment 200 and before treatment 300 (200 pm scale bar). On Figures 4B (500 pm scale bar) and 4C (200 pm scale bar) a pretreated, silver-coated leaf structure is shown.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Schrit des Erhitzens, beispielsweise wie in M. Dudynski et al. , GRAPHENE STRUCTURES IN CHARCOAL, Conference: Venice 2016 Sixth International Symposium on Energy from Biomass and Waste at: Great School of St. John the Evangelist, Venice, Italy, November 2016 beschrieben, durchgeführt werden. According to various embodiments, the heating step may be performed, for example, as described in M. Dudynski et al., GRAPHENE STRUCTURES IN CHARCOAL, Conference: Venice 2016 Sixth International Symposium on Energy from Biomass and Waste at: Great School of St. John the Evangelist, Venice, Italy, November 2016.
Beispiel des Erhitzens 400 der beschichteten Blattstruktur 24 Example of heating 400 of the coated sheet structure 24
Der Prozess des Erhitzens kann beispielsweise in einem Vakuumtiegel durchgeführt werden. Die Kammer wird nach dem Einlegen der Probe von Sauerstoff befreit und auf einem Druck von mindestens -800 mBar gehalten. Nach einer bestimmten Zeit, in der die Probe ausgasen kann, wird die Kammer entweder mit einem Gas nach Wahl gefüllt, um eine inerte Atmosphäre zu schaffen (z.B. Stickstoff, Argon usw.), oder mit einem Gas, das die Graphen- /Kohlebildung fördert (z.B. Methan usw.). Danach wird die Temperatur kontinuierlich bis auf mindestens 800-950 °C erhöht, wobei das in der Lignozellulose-Zellmatrix eingeschlossene Wasser und die Gase durch winzige Unvollkommenheiten in der Metallbeschichtung freigesetzt werden und die Biomasse in Aktivkohle mit Graphen-Mikrostrukturen verwandeln. The process of heating can be carried out in a vacuum crucible, for example. The chamber is purged of oxygen after the sample is placed in it and kept at a pressure of at least -800 mBar. After a certain time, during which the sample is allowed to outgas, the chamber is filled with either a gas of choice to create an inert atmosphere (e.g. nitrogen, argon, etc.) or with a gas that promotes graphene/char formation (e.g. methane, etc.). After that, the temperature is continuously increased up to at least 800-950 °C, releasing the water and gases trapped in the lignocellulose cell matrix through tiny imperfections in the metal coating, transforming the biomass into activated carbon with graphene microstructures.
Figur 5 veranschaulicht eine hydroionische Batterie, gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Figure 5 illustrates a hydroionic battery according to various embodiments.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Graphen-Faserstruktur aufgrund ihrer elektrisch leitenden Eigenschaft weitere Funktionen haben. Beispielweise kann die Graphen- Faserstruktur in einer hydroionischen Batterie 500 eingesetzt werden. Wie in Figur 5 gezeigt, kann die Graphen-Faserstruktur 520 in der hydroionischen Batterie 500 als elektrisch leitendes, hygroskopisches Material zwischen zwei Elektroden (z.B. aus Kupfer) verwendet werden. Aufgrund ihrer porösen Struktur kann die Graphen-Faserstruktur 520 in der hydroionischen Batterie 500 mittels Kapillarwirkung eine wässrige Salzlösung 530 (z.B. Elektrolyt) absorbieren, beispielsweise von einer ersten Elektrode 540 bis zu einer zweiten Elektrode 510 hochziehen, wenn die Graphen-Faserstruktur 520 in Kontakt mit der wässrigen Salzlösung 530 ist. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das in der Graphen- Faserstruktur 520 eingefangene Behandlungsmittel (z.B. TDMAC oder Chitosan) und/oder die Polymerschicht (z.B. aufweisend TDMAC oder Chitosan) positiv geladen sein, sodass die Graphen-Faserstruktur 520 Elektronen aus der wässrigen Salzlösung 530 anziehen kann. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Metallschicht der Graphen- Faserstruktur 520 die Bewegung der Elektronen von der ersten Elektrode 540 zu der zweiten Elektrode 510 ermöglichen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die von dem hygroskopischen Material der Graphen- Struktur aufgenommene (z.B. absorbierte) wässrige Salzlösung mittels Verdunstens 550 aus dem hygroskopischen Material gehen. Beim Verdunsten kann ein Energiegefälle entstehen, das durch den Kapillareffekt mehr Elektrolyt in die Batterie ziehen kann. Somit können die Elektronen aus der wässrigen Salzlösung von der ersten Elektrode zu der zweiten Elektrode weiterzirkulieren. Dadurch können der Batterie neue Elektronen zugeführt werden, welche weiterhin Strom liefern können. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die hydroionische Batterie 500 eine elektrische Spannung von 200 mV bis 500 mV, beispielsweise 200 mV, und Strom von 350 pA bis 500 pA, beispielsweise 350 pA erzeugen. According to various embodiments, the graphene fiber structure can have additional functions due to its electrically conductive property. For example, the graphene fiber structure can be used in a hydroionic battery 500. As shown in Figure 5, the graphene fiber structure 520 can be used in the hydroionic battery 500 as an electrically conductive, hygroscopic material between two electrodes (e.g. made of copper). Due to its porous structure, the graphene fiber structure 520 in the hydroionic battery 500 can absorb an aqueous salt solution 530 (e.g. electrolyte) by capillary action, for example, from a first electrode 540 to a second electrode 510 when the graphene fiber structure 520 is in contact with the aqueous salt solution 530. According to various embodiments, the treatment agent (e.g. TDMAC or chitosan) trapped in the graphene fiber structure 520 and/or the polymer layer (e.g. comprising TDMAC or chitosan) can be positively charged so that the graphene fiber structure 520 can attract electrons from the aqueous salt solution 530. According to various embodiments, the metal layer of the graphene fiber structure 520 can enable the movement of electrons from the first electrode 540 to the second electrode 510. According to various embodiments, the aqueous salt solution taken up (e.g. absorbed) by the hygroscopic material of the graphene structure can leave the hygroscopic material by evaporation 550. During evaporation, an energy gradient can arise which can draw more electrolyte into the battery through the capillary effect. The electrons from the aqueous salt solution can thus continue to circulate from the first electrode to the second electrode. This allows new electrons to be supplied to the battery, which can continue to supply current. According to various embodiments, the hydroionic battery 500 can generate an electrical voltage of 200 mV to 500 mV, for example 200 mV, and current of 350 pA to 500 pA, for example 350 pA.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Vorbehandlung mit einem Behandlungsmittel eine bessere Haftung von Metall (und damit eine bessere elektrische Leitfähigkeit) bewirken. Dabei kann die bessere Metall-Haftung viele der Poren der Fasern der Blattstruktur verschließen, und die Lichtdurchlässigkeit verringern. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Lichtdurchlässigkeit erhöht werden, während die hohe elektrische Leitfähigkeit und/oder der niedrige Flächenwiderstand nicht beeinträchtigt werden, beispielsweise mittels einer Doppelbeschichtung der Blattstruktur mit unterschiedlichen Metallen. According to various embodiments, pretreatment with a treatment agent can result in better adhesion of metal (and thus better electrical conductivity). The better metal adhesion can close many of the pores of the fibers of the sheet structure and reduce the light transmittance. According to various embodiments, the light transmittance can be increased while the high electrical conductivity and/or the low sheet resistance are not impaired, for example by means of a double coating of the sheet structure with different metals.
Dafür kann die Graphen-Faserstruktur beispielsweise mittels des oben beschriebenen Verfahrens gebildet werden, wobei die (z.B. erste) Metallschicht eine dünnere Schichtdicke sein kann als in den Ausführungsformen, in den die Graphen-Faserstruktur eine Metallbeschichtung mit einem einzigen Metall aufweist. For this purpose, the graphene fiber structure can be formed, for example, by means of the method described above, wherein the (e.g. first) metal layer can be a thinner layer thickness than in the embodiments in which the graphene fiber structure has a metal coating with a single metal.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen, um eine dünnere (z.B. erste) Metallschicht zu bilden, kann die Metall-Ionen-Lösung 30 eine Viskosität aufweisen, welche beispielsweise in einem Bereich von 5 Pa- s bis 10 Pa s liegen kann. According to various embodiments, in order to form a thinner (e.g. first) metal layer, the metal ion solution 30 may have a viscosity which may, for example, be in a range of 5 Pa s to 10 Pa s.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Behandeln 300 der vorbehandelten Blattstruktur 20 (vor dem Erhitzen 400) ferner ein Abscheiden 310 einer weiteren (z.B. zweiten) Metallschicht mit einem weiteren (z.B. zweiten) Metall auf der beschichteten Blattstruktur 24 aufweisen, um eine doppelt-beschichtete Blattstruktur zu bilden. Das Abscheiden 310 kann beispielsweise ein Galvanisieren und/oder Atomlagenabscheiden aufweisen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Abscheiden 310 mittels eines Gleichstroms in einem Bereich von 10 mA bis 100 mA erfolgen. According to various embodiments, treating 300 the pretreated sheet structure 20 (prior to heating 400) may further comprise depositing 310 another (eg, second) metal layer comprising another (eg, second) metal on the coated sheet structure 24 to form a double-coated sheet structure. The Deposition 310 may include, for example, electroplating and/or atomic layer deposition. According to various embodiments, deposition 310 may be performed using a direct current in a range of 10 mA to 100 mA.
Somit kann eine Graphen-Faserstruktur bereitgestellt werden, welche mit einer ersten Metallschicht und einer auf der ersten Metallschicht angeordneten zweiten Metallschicht beschichtet sein kann. Dabei kann die erste Metallschicht beispielsweise als Keimschicht (seed layer) für die zweite Metallschicht dienen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die erste Metallschicht ein erstes Metall aufweisen oder daraus bestehen, und die zweite Metallschicht kann ein zweites Metall aufweisen oder daraus bestehen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können das erste Metall und das zweite Metall unterschiedlich voneinander sein. Beispielsweise kann das erste Metall Silber sein, und das zweite Metall kann Kupfer sein. Thus, a graphene fiber structure can be provided which can be coated with a first metal layer and a second metal layer arranged on the first metal layer. The first metal layer can serve, for example, as a seed layer for the second metal layer. According to various embodiments, the first metal layer can comprise or consist of a first metal, and the second metal layer can comprise or consist of a second metal. According to various embodiments, the first metal and the second metal can be different from one another. For example, the first metal can be silver, and the second metal can be copper.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die erste Metallschicht beispielsweise eine durchschnittliche Schichtdicke aufweisen, welche in einem Bereich von 100 nm bis 100 pm liegen kann. Alternativ oder zusätzlich kann die zweite Metallschicht beispielsweise eine durchschnittliche Schichtdicke aufweisen, welche in einem Bereich von 100 nm bis 10 pm liegen kann. According to various embodiments, the first metal layer can, for example, have an average layer thickness that can be in a range from 100 nm to 100 pm. Alternatively or additionally, the second metal layer can, for example, have an average layer thickness that can be in a range from 100 nm to 10 pm.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Galvanisieren beispielsweise durchgeführt werden, bis eine bestimmte (z.B. gewünschte) elektrische Leitfähigkeit erreicht werden kann. According to various embodiments, electroplating may, for example, be carried out until a certain (e.g. desired) electrical conductivity can be achieved.
Beispiel des Beschichtens der Blattstruktur mit einer ersten Metallschicht und einer zweiten Metallschicht Example of coating the leaf structure with a first metal layer and a second metal layer
Auf die 2,5 cm2 große, mit TDMAC -behandelte Blattstruktur wurde eine Silberschicht aufgetragen, indem der bereitgestellten Blattstruktur in Silber-Lösung (z.B. Silber-Tinte) mit einer Viskosität von unter 10 Pa s (z.B. eine Viskositätswert, der von Tintenstrahl drucktinten nahe kam) und/oder mit einer Konzentration von 5 % bis 30 % getaucht wurde. Dies führte dazu, dass die Schichtdicke der Silberschicht dünner war, als in dem oben aufgeführten Beispiel. Der Flächenwiderstand der mit Silber-beschichteten Blattstruktur betrug 72 Q anstelle der vorhergien Werte von unter 0,5 Q (was eindeutig auf eine verringerte (z.B. dünnere) Silberschicht hinweist). Diese Schicht wurde als Keimschicht (seed layer) für die Abscheidung von atomarem Kupfer (Cu) mittels Galvanisierens verwendet, wobei für das Galvanisieren eine Lösung von CuSOvFFO (generisches Kupfersalz) in einer Konzentration von 0,15 M gelöst in Wasser bei einem Gleichstrom von 20 mA bis 200 mA DC verwendet wurde. A silver layer was applied to the 2.5 cm 2 TDMAC-treated sheet structure by immersing the provided sheet structure in silver solution (e.g. silver ink) with a viscosity of less than 10 Pa s (e.g. a viscosity value close to that of inkjet printing inks) and/or with a concentration of 5% to 30%. This resulted in the layer thickness of the silver layer being thinner than in the example given above. The sheet resistance of the silver-coated sheet structure was 72 Q instead of the previous values of less than 0.5 Q (clearly indicating a reduced (e.g. thinner) silver layer). This layer was used as a seed layer for the deposition of atomic copper (Cu) by electroplating using a solution of CuSOvFFO (generic copper salt) at a concentration of 0.15 M dissolved in water at a direct current of 20 mA to 200 mA DC.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Verfahren 1 ferner ein Einstellen einer vordefinierten elektrischen Leitfähigkeit der Graphen-Faserstruktur mittels Einstellens des während des Galvanisierens angelegten Stroms aufweisen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen, nach dem Schritt des Erhitzens, beispielsweise welches wie oben beschrieben durchgeführt werden kann, kann die daraus resultierende, doppelt-beschichtete Graphen-Faserstruktur einen Flächen wider stand aufweisen, welcher in einem Bereich von 1 Q bis 500 Q liegen kann. Alternativ oder zusätzlich kann die hiermit beschriebene Graphen-Faserstruktur eine Lichttransmission aufweisen, welche in einem Bereich von 60 % bis 90 % liegen kann. Alternativ oder zusätzlich kann die hiermit beschriebene Graphen-Faserstruktur eine elektrische Leitfähigkeit aufweisen, welche in einem Bereich von 1 S/m bis le'4 S/m liegen kann. According to various embodiments, method 1 may further comprise adjusting a predefined electrical conductivity of the graphene fiber structure by adjusting the current applied during electroplating. According to various embodiments, after the heating step, for example, which can be carried out as described above, the resulting double-coated graphene fiber structure can have a surface resistance which can be in a range from 1 Ω to 500 Ω. Alternatively or additionally, the graphene fiber structure described here can have a light transmission which can be in a range from 60% to 90%. Alternatively or additionally, the graphene fiber structure described here can have an electrical conductivity which can be in a range from 1 S/m to 100 S/m.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen, während des Erhitzens, können das erste Metall der ersten Metallschicht und das zweite Metall der zweiten Metallschicht beispielsweise gesintert werden. In dem Fall kann die durchschnittliche Schichtdicke der ersten Metallschicht unterschiedlich sein als vor dem Erhitzen. Alternativ oder zusätzlich kann die durchschnittliche Schichtdicke der zweiten Metallschicht unterschiedlich sein als vor dem Erhitzen. According to various embodiments, during heating, the first metal of the first metal layer and the second metal of the second metal layer may, for example, be sintered. In that case, the average layer thickness of the first metal layer may be different than before heating. Alternatively or additionally, the average layer thickness of the second metal layer may be different than before heating.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die erste Metallschicht beispielsweise eine durchschnittliche Schichtdicke aufweisen, welche in einem Bereich von 500 nm bis 100 pm liegen kann. Alternativ oder zusätzlich kann die zweite Metallschicht beispielsweise eine durchschnittliche Schichtdicke aufweisen, welche in einem Bereich von 100 nm bis 10 pm liegen kann. According to various embodiments, the first metal layer can, for example, have an average layer thickness that can be in a range from 500 nm to 100 pm. Alternatively or additionally, the second metal layer can, for example, have an average layer thickness that can be in a range from 100 nm to 10 pm.
Im Folgenden werden einige Beispiele beschrieben, die sich auf das hierin Beschriebene und in den Figuren Dargestellte beziehen. The following describes some examples that relate to what is described herein and shown in the figures.
Beispiel 1 ist ein Verfahren zum Herstellen einer flexiblen, biologisch abbaubaren, metallisierten Graphen-Faserstruktur, aufweisend: Bereitstellen einer Blattstruktur aus einem Pflanzenblatt, wobei die bereitgestellte Blattstruktur ein Blattskelett ist; Vorbehandeln der Blattstruktur mittels eines Behandlungsmittels zum Verändern der elektrischen Eigenschaften der Blattstruktur, um eine vorbehandelte Blattstruktur zu bilden; Behandeln der vorbehandelten Blattstruktur mittels einer Metall-Ionen-Lösung derart, dass die Blattstruktur eine metallische Beschichtung (z.B. eine durchgehend geschlossene, metallische Beschichtung) aufweist (vorzugsweise so dass eine beschichtet Blattstruktur gebildet wird, welche die metallische Beschichtung und die damit beschichtete vorbehandelte Blattstruktur aufweist). Example 1 is a method for producing a flexible, biodegradable, metallized graphene fiber structure, comprising: providing a leaf structure from a plant leaf, wherein the provided leaf structure is a leaf skeleton; pretreating the leaf structure using a treatment agent for changing the electrical properties of the leaf structure to form a pretreated leaf structure; treating the pretreated leaf structure using a metal ion solution such that the leaf structure has a metallic coating (e.g., a continuous, closed metallic coating) (preferably so that a coated leaf structure is formed which has the metallic coating and the pretreated leaf structure coated therewith).
In Beispiel 2 kann das Verfahren gemäß Beispiel 1 ferner optional eingerichtet sein, dass das Behandlungsmittel Tridodecylmethylammoniumchlorid oder Chitosan aufweist. In Example 2, the method according to Example 1 can further optionally be arranged such that the treating agent comprises tridodecylmethylammonium chloride or chitosan.
In Beispiel 3 kann das Verfahren gemäß Beispiel 1 oder 2 ferner optional eingerichtet sein, dass die Blattstruktur während des Vorbehandelns mit einer Polymerschicht beschichtet wird, wobei die Polymerschicht mittels des Behandlungsmittels gebildet wird. In Beispiel 4 kann das Verfahren gemäß den Beispielen 1 bis 3 ferner optional eingerichtet sein, dass das Behandeln der vorbehandelten Blattstruktur ein Eintauchen der vorbehandelten Blattstruktur in die Metall-Ionen-Lösung zum Metallbeschichten der vorbehandelten Blattstruktur aufweist, um die beschichtete Blattstruktur zu bilden. In Example 3, the method according to Example 1 or 2 may further optionally be arranged such that the sheet structure is coated with a polymer layer during the pretreatment, wherein the polymer layer is formed by means of the treatment agent. In Example 4, the method according to Examples 1 to 3 can be further optionally configured such that treating the pretreated sheet structure comprises immersing the pretreated sheet structure in the metal ion solution for metal coating the pretreated sheet structure to form the coated sheet structure.
In Beispiel 5 kann das Verfahren gemäß den Beispielen 1 bis 4 ferner optional eingerichtet sein, dass wobei das Erhitzen bei einer Temperatur in einem Bereich von 500 C bis 900 C, beispielsweise unter Umgebungsdruck und/oder unter Umgebungsluft, erfolgt. In Example 5, the method according to Examples 1 to 4 can further optionally be arranged such that the heating takes place at a temperature in a range from 500 ° C to 900 ° C, for example under ambient pressure and/or under ambient air.
In Beispiel 6 kann das Verfahren gemäß den Beispielen 1 bis 5 ferner optional eingerichtet sein, dass die Metall-Ionen-Lösung ein Metall aufweist, welches Silber ist. In Example 6, the method according to Examples 1 to 5 may further optionally be arranged such that the metal ion solution comprises a metal which is silver.
In Beispiel 7 kann das Verfahren gemäß den Beispielen 1 bis 6 ferner optional eingerichtet sein, dass die Metall-Ionen-Lösung eine Viskosität aufweist, welche in einem Bereich von 5 Pa- s bis 50 Pa- s liegt. In Example 7, the method according to Examples 1 to 6 can further optionally be arranged such that the metal ion solution has a viscosity which is in a range from 5 Pa-s to 50 Pa-s.
In Beispiel 8 kann das Verfahren gemäß den Beispielen 1 bis 6 ferner optional eingerichtet sein, dass die Metallschicht der beschichteten Blattstruktur eine durchschnittliche Schichtdicke aufweist, welche in einem Bereich von 500 nm bis 100 pm liegt. In Example 8, the method according to Examples 1 to 6 can further optionally be arranged such that the metal layer of the coated sheet structure has an average layer thickness which is in a range of 500 nm to 100 pm.
In Beispiel 9 kann das Verfahren gemäß Beispiel 1 bis 6 ferner optional eingerichtet sein, dass das Behandeln der vorbehandelten Blattstruktur ferner ein Abscheiden einer weiteren Metallschicht mit einem weiteren Metall auf der beschichteten Blattstruktur aufweist, um eine doppelt-beschichtete Blattstruktur zu bilden, beispielsweise wobei das weitere Metall Kupfer ist. In Example 9, the method according to Examples 1 to 6 may further optionally be configured such that treating the pretreated sheet structure further comprises depositing a further metal layer comprising a further metal on the coated sheet structure to form a double-coated sheet structure, for example wherein the further metal is copper.
In Beispiel 10 kann das Verfahren gemäß Beispiel 9 in Kombination mit einem der Beispiele 1 bis 6 ferner optional eingerichtet sein, dass die doppelt-beschichtete Blattstruktur eine erste Metallschicht, welche mittels der Metall-Ionen-Lösung gebildet ist, und eine auf der ersten Metallschicht ausgebildete zweite Metallschicht aufweist. In Example 10, the method according to Example 9 in combination with any of Examples 1 to 6 may further optionally be configured such that the double-coated sheet structure comprises a first metal layer formed by means of the metal ion solution and a second metal layer formed on the first metal layer.
In Beispiel 11 kann das Verfahren gemäß Beispiel 9 oder 10 ferner optional eingerichtet sein, dass die (z.B. erste) Metallschicht (z.B. eine erste Metallschicht der Metallschicht) eine erste Schichtdicke aufweist (oder daraus besteht), welche in einem Bereich von 200 nm bis 350 pm liegt, und/oder wobei die zweite Metallschicht eine zweite Schichtdicke aufweist, welche in einem Bereich von 100 nm bis 10 pm liegt. In example 11, the method according to example 9 or 10 can further optionally be configured such that the (e.g. first) metal layer (e.g. a first metal layer of the metal layer) has (or consists of) a first layer thickness which is in a range from 200 nm to 350 pm, and/or wherein the second metal layer has a second layer thickness which is in a range from 100 nm to 10 pm.
Beispiel 12 ist eine flexible, biologisch abbaubare, metallisierte Graphen-Faserstruktur, wobei die Graphen-Faserstruktur eine Pflanzenblatt-Graphen-Kernstruktur aufweist, welche mit einer ersten Metallschicht beschichtet ist, beispielsweise wobei die erste Metallschicht eine Silberschicht ist. In Beispiel 13 kann die Graphen-Faserstruktur gemäß Beispiel 12 ferner optional eingerichtet sein, dass die Graphen-Faserstruktur eine zweite Metallschicht auf der ersten Metallschicht aufweist, beispielsweise wobei die zweite Metallschicht eine Kupferschicht ist. Example 12 is a flexible, biodegradable, metallized graphene fiber structure, wherein the graphene fiber structure comprises a plant leaf graphene core structure coated with a first metal layer, for example wherein the first metal layer is a silver layer. In Example 13, the graphene fiber structure according to Example 12 may further optionally be configured such that the graphene fiber structure comprises a second metal layer on the first metal layer, for example wherein the second metal layer is a copper layer.
In Beispiel 14 kann die Graphen-Faserstruktur gemäß Beispiel 13 derart eingerichtet sein, dass die erste Metallschicht eine erste Schichtdicke aufweist, welche in einem Bereich von 500 nm bis 100 pm liegt, und/oder wobei die zweite Metallschicht eine zweite Schichtdicke aufweist, welche in einem Bereich von 100 nm bis 10 pm liegt. In Example 14, the graphene fiber structure according to Example 13 can be configured such that the first metal layer has a first layer thickness which is in a range from 500 nm to 100 pm, and/or wherein the second metal layer has a second layer thickness which is in a range from 100 nm to 10 pm.
In Beispiel 15 kann die Graphen-Faserstruktur gemäß einem der Beispiele 12 bis 14 derart eingerichtet sein, dass die Graphen-Faserstruktur eine Polymerschicht zwischen der Pflanzenblatt-Graphen-Kernstruktur und der ersten Metallschicht aufweist, beispielsweise wobei die Polymerschicht Chitosan aufweist. In Example 15, the graphene fiber structure according to any one of Examples 12 to 14 may be configured such that the graphene fiber structure comprises a polymer layer between the plant leaf graphene core structure and the first metal layer, for example wherein the polymer layer comprises chitosan.
Beispiel 16 ist eingerichtet gemäß einem der Beispiele 1 bis 15, wobei die Metall-Ionen- Lösung eine Lösung aufweist oder daraus besteht, welche Metall-Ionen aufweist, z.B. gelöstes Metall aufweisend (wobei das beispielsweise Metall in der Lösung im Wesentlichen gelöst ist und optional teilweise in Suspension ist). Example 16 is configured according to any one of Examples 1 to 15, wherein the metal ion solution comprises or consists of a solution comprising metal ions, e.g. comprising dissolved metal (wherein the e.g. metal is substantially dissolved in the solution and optionally partially in suspension).
Beispiel 17 ist eingerichtet gemäß einem der Beispiele 1 bis 16, wobei die Metall-Ionen- Lösung: frei ist von Metallpartikeln (z.B. Nanopartikeln und/oder Nanodrähten), oder zumindest mehr (z.B. gelöstes) Metall aufweist, welches vorzugsweise die Metall-Ionen bereitstellen, als Metall, welches Metallpartikel (z.B. Nanopartikel und/oder Nanodrähte) bereitstellt und/oder in Suspension ist. Example 17 is configured according to any one of Examples 1 to 16, wherein the metal ion solution: is free of metal particles (e.g., nanoparticles and/or nanowires), or at least comprises more (e.g., dissolved) metal that preferably provides the metal ions than metal that provides metal particles (e.g., nanoparticles and/or nanowires) and/or is in suspension.

Claims

Patentansprüche Patent claims
1. Verfahren (1) zum Herstellen einer flexiblen, biologisch abbaubaren, metallisierten Graphen-Faserstruktur, aufweisend 1. A method (1) for producing a flexible, biodegradable, metallized graphene fiber structure, comprising
- Bereitstellen (100) einer Blattstruktur (10) aus einem Pflanzenblatt, wobei die bereitgestellte Blattstruktur ein Blattskelett ist; - providing (100) a leaf structure (10) from a plant leaf, wherein the provided leaf structure is a leaf skeleton;
- Vorbehandeln (200) der Blattstruktur mittels eines Behandlungsmittels zum Verändern der elektrischen Eigenschaften der Blattstruktur (10), um eine vorbehandelte Blattstruktur (20) zu bilden; - pretreating (200) the sheet structure by means of a treatment agent for changing the electrical properties of the sheet structure (10) to form a pretreated sheet structure (20);
- Behandeln (300) der vorbehandelten Blattstruktur (20) mittels einer Metall-Ionen- Lösung (30) derart, dass die Blattstruktur (24) eine metallische Beschichtung aufweist; - treating (300) the pretreated leaf structure (20) by means of a metal ion solution (30) such that the leaf structure (24) has a metallic coating;
- Erhitzen (400) der beschichteten Blattstruktur (24) derart, dass das Blattskelett zu Graphen umgewandelt wird, um die metallisierte Graphen-Faserstruktur zu bilden. - Heating (400) the coated sheet structure (24) such that the sheet skeleton is converted to graphene to form the metallized graphene fiber structure.
2. Verfahren (1) gemäß Anspruch 1, wobei das Behandlungsmittel Tridodecylmethylammoniumchlorid oder Chitosan aufweist. 2. The method (1) according to claim 1, wherein the treating agent comprises tridodecylmethylammonium chloride or chitosan.
3. Verfahren (1) gemäß Anspruch 1 der 2, wobei die Blattstruktur (10) während des Vorbehandelns (200) mit einer Polymerschicht beschichtet wird, wobei die Polymerschicht mittels des Behandlungsmittels gebildet wird. 3. Method (1) according to claim 1 of 2, wherein the sheet structure (10) is coated with a polymer layer during the pretreatment (200), the polymer layer being formed by means of the treatment agent.
4. Verfahren (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Behandeln (300) der vorbehandelten Blattstruktur (20) ein Eintauchen (304) der vorbehandelten Blattstruktur (20) in die Metall-Ionen-Lösung (30) zum Metallbeschichten der vorbehandelten Blattstruktur (20) aufweist, um die beschichtete Blattstruktur (24) zu bilden. 4. The method (1) of any one of claims 1 to 3, wherein treating (300) the pretreated sheet structure (20) comprises immersing (304) the pretreated sheet structure (20) in the metal ion solution (30) for metal coating the pretreated sheet structure (20) to form the coated sheet structure (24).
5. Verfahren (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Erhitzen (400) bei einer Temperatur in einem Bereich von 500 °C bis 900 C, vorzugsweise unter Umgebungsdruck und/oder unter Umgebungsluft, erfolgt. 5. Method (1) according to one of claims 1 to 4, wherein the heating (400) takes place at a temperature in a range of 500 °C to 900 °C, preferably under ambient pressure and/or under ambient air.
6. Verfahren (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Metall-Ionen-Lösung (30) ein Metall aufweist, welches Silber ist. 6. The method (1) according to any one of claims 1 to 5, wherein the metal ion solution (30) comprises a metal which is silver.
7. Verfahren (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Metall-Ionen-Lösung (30) eine Viskosität aufweist, welche in einem Bereich von 5 Pa s bis 50 Pa- s liegt. 7. Method (1) according to one of claims 1 to 6, wherein the metal ion solution (30) has a viscosity which is in a range from 5 Pa s to 50 Pa s.
8. Verfahren (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Metallschicht der beschichteten Blattstruktur (24) eine durchgehend geschlossene Metallschicht ist, und/oder wobei die Metallschicht der beschichteten Blattstruktur (24) eine durchschnittliche Schichtdicke aufweist, welche in einem Bereich von 500 nm bis 100 pm liegt. 8. Method (1) according to one of claims 1 to 7, wherein the metal layer of the coated sheet structure (24) is a continuously closed metal layer, and/or wherein the metal layer of the coated sheet structure (24) has an average layer thickness which is in a range from 500 nm to 100 pm.
9. Verfahren (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Behandeln (300) der vorbehandelten Blattstruktur (20) ferner ein Abscheiden (310) einer weiteren Metallschicht mit einem weiteren Metall auf der beschichteten Blattstruktur (24) aufweist, um eine doppelt-beschichtete Blattstruktur zu bilden, vorzugweise wobei das weitere Metall Kupfer ist. 9. The method (1) of any of claims 1 to 6, wherein treating (300) the pretreated sheet structure (20) further comprises depositing (310) a further metal layer comprising a further metal on the coated sheet structure (24) to form a double-coated sheet structure, preferably wherein the further metal is copper.
10. Verfahren (1) gemäß Anspruch 9 in Kombination mit einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die doppelt-beschichtete Blattstruktur eine erste Metallschicht, welche mittels der Metall-Ionen-Lösung (30) gebildet ist, und eine auf der ersten Metallschicht ausgebildete zweite Metallschicht aufweist. 10. The method (1) according to claim 9 in combination with any one of claims 1 to 6, wherein the double-coated sheet structure comprises a first metal layer formed by means of the metal ion solution (30) and a second metal layer formed on the first metal layer.
11. Verfahren (1) gemäß Anspruch 10, wobei die erste Metallschicht eine erste Schichtdicke aufweist, welche in einem Bereich von 500 nm bis 100 pm liegt, und/oder wobei die zweite Metallschicht eine zweite Schichtdicke aufweist, welche in einem Bereich von 100 nm bis 10 pm liegt. 11. Method (1) according to claim 10, wherein the first metal layer has a first layer thickness which is in a range from 500 nm to 100 pm, and/or wherein the second metal layer has a second layer thickness which is in a range from 100 nm to 10 pm.
12. Flexible, biologisch abbaubare, metallisierte Graphen-Faserstruktur, wobei die Graphen-Faserstruktur eine Pflanzenblatt-Graphen-Kernstruktur aufweist, welche mit einer Metallschicht beschichtet ist. 12. A flexible, biodegradable, metallized graphene fiber structure, wherein the graphene fiber structure comprises a plant leaf graphene core structure coated with a metal layer.
13. Graphen-Faserstruktur gemäß dem Anspruch 12, wobei die erste Metallschicht Silber aufweist, und/oder wobei die Graphen-Faserstruktur eine zweite Metallschicht auf der ersten Metallschicht aufweist, vorzugsweise wobei die zweite Metallschicht Kupfer aufweist. 13. Graphene fiber structure according to claim 12, wherein the first metal layer comprises silver, and/or wherein the graphene fiber structure comprises a second metal layer on the first metal layer, preferably wherein the second metal layer comprises copper.
14 Graphen-Faserstruktur gemäß dem Anspruch 13, wobei die erste Metallschicht eine erste Schichtdicke aufweist, welche in einem Bereich von 500 nm bis 100 pm liegt, und/oder wobei die zweite Metallschicht eine zweite Schichtdicke aufweist, welche in einem Bereich von 100 nm bis 10 pm liegt. 14 Graphene fiber structure according to claim 13, wherein the first metal layer has a first layer thickness which is in a range from 500 nm to 100 pm, and/or wherein the second metal layer has a second layer thickness which is in a range from 100 nm to 10 pm.
15. Graphen-Faserstruktur gemäß dem einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die Graphen-Faserstruktur eine Polymerschicht zwischen der Pflanzenblatt-Graphen- Kemstruktur und der ersten Metallschicht aufweist, vorzugsweise wobei die Polymerschicht Chitosan aufweist. 15. Graphene fiber structure according to one of claims 12 to 14, wherein the graphene fiber structure comprises a polymer layer between the plant leaf graphene core structure and the first metal layer, preferably wherein the polymer layer comprises chitosan.
PCT/EP2023/086590 2023-01-04 2023-12-19 Flexible, biodegradable, metallized graphene fibre structure and process for production of the like WO2024146776A1 (en)

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