Priemysel

Potenciál grafénu pre systémy obnoviteľnej energie

Potenciál grafénu pre systémy obnoviteľnej energie

Štruktúra grafénu [Obrázok:UCL Matematical and Physical Science, Flickr]

Začiatkom tohto roka, koncom januára, univerzity v Manchestri a Abú Zabí oznámili zámer spolupracovať na projekte výroby peny obsahujúcej grafén, materiál pozostávajúci z jednej vrstvy atómov uhlíka usporiadanej do voštinovej mriežky, ktorá je 10-krát pevnejšia ako oceľ, ale 1000-krát ľahší ako list papiera na jednotku plochy.

Prvýkrát bol grafén objavený v laboratóriu na Manchesterskej univerzite v roku 2004 po rokoch pokusov vedcov o výrobu jedinej vrstvy uhlíka a mnohých teoretizovaní, ktoré boli pozorované pomocou elektrónového mikroskopu v roku 1962. Profesori Andre Geim a Konstantin Novoselov použili proces nazývaný „ technika škótskej pásky “, pri ktorej sa škótska páska opakovane používala na odlúpnutie vrstiev grafénu od kúska grafitu, až kým nezostala iba jedna vrstva atómov. To dvom vedcom prinieslo v roku 2010 Nobelovu cenu.

V blízkej budúcnosti by sa grafén mohol potenciálne použiť na elektrické komponenty a ďalšie predmety, ako sú snímače, batérie, kompozity, membrány na výmenu iónov a ďalšie výrobky. Výskumný tím sa zameria na tri projekty zahŕňajúce grafén a dvojrozmerné materiály, ktoré by sa mohli použiť v rôznych aplikáciách. Jeden z projektov vyvinie nízkonákladovú techniku ​​atramentovej tlače pre výrobu mikro-senzorov. Tieto by sa potom mohli použiť v energetickom sektore a na vojenské účely. Ďalší projekt sa zameria na možnosti využitia grafénu pri odsoľovaní vody.

Profesor Brian Derby z Manchesterskej univerzity v rozhovore pre denník The Engineer vysvetlil, že výhodou použitia grafénu v batériových elektródach, uvádzam len jeden príklad, je skutočnosť, že má veľmi veľkú plochu a napriek tomu má hrúbku iba jedného atómu. Aby bol však materiál užitočný, musia byť vrstvy s hrúbkou atómu zabalené do 3D objektu. To je dôvod, prečo sa vedci pokúsia vyrobiť penu z grafénu s cieľom vyvinúť spôsoby balenia materiálu tak, aby ich bolo možné zostaviť v priestore, ale čo najviac udržať ich povrchovú plochu. Tím tiež dúfa, že vyvinie kompozity, v ktorých sú grafénové vločky rozptýlené v polymérnej matrici, čím vznikne silný, ale stále funkčný kompozit.

Výskum grafénu na University of Exeter vo Veľkej Británii [Obrázok:University of Exeter, Flickr]

Ako by mohol byť grafén prospešný pre sektor obnoviteľnej energie?

V roku 2011 inžinieri z Northwestern University zistili, že grafénové anódy držia energiu lepšie ako grafit, čo umožňuje desaťkrát lepšie nabíjanie batérie s potenciálnymi aplikáciami vrátane použitia v elektrických vozidlách (EV). V roku 2013 vedci z Rice University v Texase predpovedali, že grafén s prídavkom niektorých atómov bóru by sa mohol použiť na výrobu ultratenkej flexibilnej anódy pre lítium-iónové batérie. Bór pomáha lítiovým iónom držať sa na graféne, čo prispieva k rýchlemu nabíjaniu. Preto sa výskum na Rice University uskutočnil v spolupráci so spoločnosťou Honda, ktorá je jedným z mnohých výrobcov automobilov, ktorí v súčasnosti vyrábajú nové modely EV. O materiál prejavili záujem ďalšie spoločnosti, ako napríklad Kia a Hyundai, obe spoločnosti podávajú patenty na použitie grafénu v palivových článkoch.

Vedci z Rice University tiež zistili, že grafén zmiešaný s oxidom vanádu sa dá použiť na vývoj vysoko výkonných a nákladovo efektívnych katód, ktoré sa dajú znovu nabiť za 20 sekúnd a po rozsiahlom použití si zachovajú viac ako 90 percent svojej kapacity. Grafén sa dá použiť aj pre superkondenzátory a vedci z UCLA zistili, že sa dá natrieť na DVD. Potom je možné napaľovačku DVD použiť na zapísanie miliónov superkondenzátorových obvodov do grafénovej vrstvy, ktoré je možné následne odlepiť a použiť ktokoľvek, kto vyžaduje batériu so super výkonom. Vedci vo Švédsku tiež zistili, že maghemit, druh oxidu železa podobný červenej rude, sa môže pridávať do grafénu, čo spôsobuje, že sa zroluje do nanorozmetadla. Tieto sa potom môžu použiť ako elektródy v lítium-iónových batériách.

Profesor Forsyth z Fakulty elektrotechniky a elektroniky na Manchesterskej univerzite sa domnieva, že grafén môže pomôcť zvýšiť účinnosť elektromobilov znížením hmotnosti batérií, ktoré v súčasnosti môžu vážiť okolo 200 kilogramov. To by tiež pomohlo predĺžiť dojazd elektromobilov nad 100 kilometrov, pričom hlavným faktorom oneskorujúcim ich absorpciu je v súčasnosti úzkosť z dojazdu. Využitie grafénu v batériách by však tiež mohlo podporiť odvetvie skladovania energie, pretože samotná Manchester University v areáli kampusu vyskúšala systém batérií a prevodníkov v mriežke.

Mercedes SLS AMG E-cell na autosalóne v Ženeve [Obrázok:Cedric Ramirez, Flickr]

Pokiaľ ide o solárne PV, grafén sa môže použiť na vývoj antireflexných povlakov pre solárne články, indickí vedci zistili, že tento materiál môže znížiť odrazivosť v blízkosti ultrafialovej časti slnečného spektra z 35 percent na iba 15 percent. Silvija Gradečak z Massachusetts Institute of Technology (MIT) tiež zistila, že grafén vo FV článkoch môže priniesť vyššiu účinnosť premeny energie, zatiaľ čo iní vedci z Michiganskej technologickej univerzity zistili, že grafén môže nahradiť platinu v elektródach solárnych článkov bez straty účinnosti.

POZRI TIEŽ: 10 veľmi populárnych elektrických vozidiel (EV) a hybridov

Ďalším možným využitím materiálu je nahradenie oxidu india cínu (ITO) v solárnych článkoch. Toto je materiál, ktorý je vzácny a drahý. V súčasnosti sa používa na priehľadné elektródy, ale je tiež veľmi krehký. Vedci z MIT dúfajú, že vyvinú nový solárny článok vyrobený z grafénu a disulfidu molybdénu, ktorého výsledkom bude tenký a ľahký solárny článok s 1000-krát vyššou účinnosťou ako bežné kremíkové panely.

V elektrických vozidlách na palivové články (FCEV) by grafén mohol pomôcť znížiť náklady na obnoviteľné vodíkové palivo, čo by zase znamenalo viac staníc na vodíkové palivo v dôsledku nižších nákladov na spracovanie. Vedci z Rice University preukázali, že grafén dotovaný dusíkom a obohatený kobaltom je účinným a trvanlivým katalyzátorom výroby vodíka z vody, ktorý nahrádza drahú platinu.

Doteraz sa teda zdá, že dvoma hlavnými aplikáciami grafénu na obnoviteľné zdroje energie sú solárne články a batérie pre elektromobily, hoci celkový trh s týmto materiálom má dnes hodnotu viac ako 9 miliónov dolárov v oblasti polovodičov, elektroniky, batérií a kompozitov.

Plánované nové inovačné centrum pre grafénové inžinierstvo (GEIC) na Manchester University [Obrázok:Manchester University]

Veľká Británia teraz s tým preteká, Manchester University je teraz na ceste k vybudovaniu druhého špecializovaného centra pre výskum grafénu, ktoré práve získalo stavebné povolenieth Februára. Graphene Engineering Innovation Center (GEIC) sa zameria na priemyselne riadený vývoj a aplikáciu produktov z grafénu, v spolupráci s Národným inštitútom pre grafén (NGI) a navrhovaným Inštitútom sira Henryho Royce pre pokročilý výskum materiálov s cieľom umožniť vývoj grafénu od počiatočný výskum konečných výrobkov, čím sa Manchester stal vedúcim globálnym centrom pre výskum grafénu. Dôraz sa bude klásť na vylepšenie v súčasnosti existujúcich materiálov a otvorenie nových trhov s financovaním GEIC do veľkej miery poskytnutou spoločnosťou Masdar z Abú Zabí v oblasti obnoviteľnej energie a Radou pre financovanie vysokoškolského vzdelávania pre Anglický investičný fond pre výskum v Anglicku (UKRPIF). Centrum by malo byť hotové do konca roka 2017.


Pozri si video: Jacques biomasa blackout, vysvětlení (December 2021).