Graphit und Graphen: Was ist der Unterschied?

Obwohl sie beide aus Kohlenstoff bestehen, könnten Graphit und Graphen nicht unterschiedlicher sein. Sie haben eine Reihe von besonderen Eigenschaften, die es ihnen ermöglichen, in verschiedenen Bereichen eingesetzt zu werden. In diesem Artikel erfahren Sie mehr über ihre Strukturen, Verwendungen und Kosten. Lassen Sie uns eintauchen.

Graphit vs. Graphen

Was ist Graphit?

Graphit (ein Kohlenstoff-Allotrop) ist ein sechseckiges Gitter aus Kohlenstoff. Das gleitfreudige Gefühl, das Graphen vermittelt, kommt von der Fähigkeit der Schichten, übereinander zu gleiten. Graphit ist heute in Alltagsgegenständen zu finden, von unseren Bleistiften über Schmiermittel bis hin zu Batterien. Es ist immer noch ein Leiter (wenn auch nicht so leitfähig wie Graphen, da es geschichtet ist). Da es billig und relativ häufig vorkommt, ist es ein erstklassiger Kandidat für viele industrielle Anwendungen.

Was ist Graphen?

Graphen ist eine wabenförmige Anordnung von Kohlenstoffatomen in einer einzigen Schicht. Es ist auch nur ein Atom dick, was bedeutet, dass das Material selbst superdünn und dennoch sehr stark sein kann. Wegen seiner Leichtigkeit und Beinahe-Transparenz wird es oft als "Wundermaterial" bezeichnet, aber auch, weil es stärker ist als alles, was wir bisher kannten, und eine beachtliche elektrische Leitfähigkeit aufweist. Es ist 200-mal stärker als Stahl und nur ein Atom dick. Die Anwendungen sind zahlreich, von der Elektronik bis zu medizinischen Geräten, und obwohl das Material in der Natur relativ häufig vorkommt, war seine Herstellung bisher kostspielig und schwierig.

Struktur

Schichten vs. Einzelschicht

Graphit: Besteht aus zahlreichen übereinander gestapelten Schichten von Kohlenstoffblättern. Da diese Schichten nur schwach miteinander verbunden sind, können sie leicht übereinander gleiten. Das ist der Grund, warum wir Graphit in unserer Hand als glitschig empfinden, und es verhält sich auch wie ein Schmiermittel.

Graphen: Eine einzelne wabenförmige Schicht aus Kohlenstoffatomen, ein ein Atom dickes Material mit außergewöhnlicher Festigkeit und Flexibilität.

Unterschiede in der Bindung

Graphit: Da die Schichten durch primitive van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten werden, lässt sich Graphit leicht spalten oder zerteilen.

Graphen: Die Kohlenstoffatome sind in einer einzigen Schicht sehr eng miteinander verbunden, was dem Graphen seine enorme Festigkeit und Flexibilität verleiht.

Eigenschaften von Graphit und Graphen

Elektrische Leitfähigkeit

Graphit: Während Graphit dank der frei beweglichen Elektronen zwischen seinen Schichten ebenfalls Strom überträgt, sind die Schichten ohne zusätzliche Graphenblätter nicht so leitfähig. Der Widerstand entsteht, wenn die Schichten einen ausreichend großen Abstand zueinander haben.

Graphen: Einer der bekanntesten elektrischen Leiter Da Elektronen praktisch ohne Widerstand durch ihn hindurchfliegen können, ist Graphen wie geschaffen für Hochgeschwindigkeitselektronik.

Mechanische Festigkeit

Graphit: Weich und spröde. Graphit reißt leicht, daher wird es für Bleistiftminen verwendet. Wird leicht brüchig, da die Schichten nur durch schwache Bindungen zusammengehalten werden.

Graphen: Es ist extrem widerstandsfähig, 20-mal so robust wie Stahl. Obwohl nur ein Kohlenstoffatom dick, ist die Struktur von Graphen aufgrund seines starken kristallinen Gitters und weil jede C-C-Bindung eine Stärke hat, die der doppelten Länge entspricht.

4.3Thermische Leitfähigkeit

Graphit: Gute Wärmeleitfähigkeit, daher weit verbreitete Verwendung z. B. in der passiven Kühlung.

Graphen: Hervorragende Wärmeleitfähigkeit. Es ist einer der besten Leiter für thermische Energie und daher eine gute Wahl für die Kühlung elektrischer Komponenten.

Anwendungen

Graphit

Bleistifte: Bei Bleistiften wird Graphit als "Mine" verwendet, weil es nicht zu sehr verschmiert, eine Oberfläche leicht markiert und bei Bedarf wieder ausradiert werden kann. Graphit besteht aus Blättern in einer Schicht, so dass sie mit sehr wenig Druck schreiben können und eine Markierung auf dem Papier hinterlassen.

Schmiermittel: Da es glitschig ist, wird es in Schmiermitteln verwendet, um die Reibung zwischen Maschinen zu verhindern. Da die Graphitschichten glatt sind, können sie leicht übereinander gleiten und bilden eine solide Barriere, die den Verschleiß von Teilen durch Bewegung verringert.

Batterien: Graphit hat sich auch als intrinsisches Element erwiesen, das in der Anode einer Lithium-Ionen-Batterie zwei Hauptfunktionen erfüllen kann: Stabilität und effiziente Energiespeicherung. Dank dieser Schichtstruktur können die Lithiumionen während der Lade-/Entladezyklen leicht ein- und ausströmen.

Stahlerzeugung: Bei der Stahlherstellung wird es im Allgemeinen als feuerfestes Material verwendet, da es großer Hitze standhält. Um dies zu erreichen, werden isolierende Verkleidungen in Gießereien und Beschichtungsöfen müssen eine konstante Temperatur halten - eine absolute Voraussetzung für die Herstellung von hochwertigem Stahl.

Graphen

Elektronik: Da Graphen ein hervorragender Stromleiter ist, könnte eine Möglichkeit, die zwei neue Experimente am Berkeley Lab und an der UC San Diego vorschlagen, darin bestehen, es anstelle von Silizium in Computerchips zu verwenden - was schnellere Geräte ermöglichen würde, die kühler laufen und (im Idealfall) weniger Energie pro Berechnung verbrauchen. Aufgrund seiner hohen Elektronenbeweglichkeit ist es ideal für die schnelle Schaltgeschwindigkeit geeignet, die in künftigen Computertechnologien benötigt wird.

Medizinische Geräte: Die Biokompatibilität und die Empfindlichkeit von Graphem machen es ideal für Biosensoren, Systeme zur Verabreichung von Medikamenten sowie für die Gewebezüchtung usw. Diese Ungiftigkeit und Kompatibilität mit biologischen Systemen machen es für den Einsatz in der medizinischen Diagnostik oder therapeutischen Behandlungen attraktiv.

Energiespeicherung: Superkondensatoren und fortschrittliche Batterien könnten in Zukunft Graphen verwenden, um eine schnellere Ladezeit mit höherer Energiespeicherung zu ermöglichen. Aufgrund seiner großen Oberfläche und Leitfähigkeit kann die Leistung von Energiespeichern verbessert werden, so dass sie lange halten.

Verbundwerkstoffe: Graphen kann mit anderen Materialien wie Metallen und Kunststoffen kombiniert werden, um sie leichter und gleichzeitig stärker oder elektrisch leitfähig zu machen. Mögliche Anwendungen dieser mit Graphen verstärkten Verbundwerkstoffe sind die Verringerung des Gewichts, die Erhöhung der Kraftstoffeffizienz und die Verbesserung der allgemeinen Abtragsleistung.

Graphit vs. Graphen: Kosten

Graphit: Niedrig

Reichhaltigkeit: Graphit ist in gewöhnlicher, natürlicher Form kostengünstig verfügbar. Es wird weltweit abgebaut und ist ein leicht verfügbares und kosteneffizientes Mineral.

Produktionskosten: Aufgrund seiner niedrigen Produktions- und Verarbeitungskosten eignet sich Graphit auch für viele industrielle Anwendungen.

Graphen: Hoch

Herausforderungen bei der Herstellung: Die Herstellung von Graphen ist wesentlich schwieriger als die von Graphit. Obwohl einlagiges h-BN inzwischen mit Nassverfahren hergestellt werden kann, sind die bestehenden Herstellungsverfahren - wie chemische Gasphasenabscheidung (CVD) und Exfoliationsverfahren - nach wie vor kostspielig und lassen sich nicht ohne weiteres in großem Maßstab herstellen. Sie sind nach wie vor kostspielig und lassen sich nicht ohne weiteres für eine groß angelegte Herstellung skalieren.

Preisentwicklung: Trotz des Abwärtstrends bei den Graphenpreisen sind die Kosten für dieses Material viel höher als die von Graphit. Derzeit wird daran gearbeitet, kostengünstigere Verfahren zur Herstellung von Graphen zu entwickeln, damit das Material wirtschaftlich rentabel wird.

Schlussfolgerung

Graphit und Graphen haben einige einzigartige, einander ähnliche Eigenschaften, die sie zu einer wichtigen Materialgruppe machen. Daher können wir Graphen als den letzten Schritt in der Entwicklung von Kohlenstoff betrachten. Graphit hat der Industrie jahrzehntelang gedient, aber Graphen ist das, was viele für den wirklichen Game Changer halten, der viele Bereiche in verschiedenen Sektoren umwälzen kann. Wenn Graphen dank der aktuellen Forschung kostengünstiger und einfacher hergestellt werden kann, ist eine Welt, in der das außerirdische Material die Oberhand hat, vielleicht gar nicht mehr so weit entfernt. Ob man nun den Pragmatismus von Graphit respektieren kann oder sich vom Potenzial von Graphen verführen lässt. Beide werden in der Zukunft in Technologie und Industrie zusammenarbeiten müssen.