Ala

Grafeenin potentiaali uusiutuviin energiajärjestelmiin

Grafeenin potentiaali uusiutuviin energiajärjestelmiin

Grafeenin rakenne [Kuva:UCL-matematiikka ja fysiikka, Flickr]

Aiemmin tänä vuonna, tammikuun lopulla, Manchesterin ja Abu Dhabin yliopistot ilmoittivat aikomuksestaan ​​tehdä yhteistyötä hankkeen kanssa, joka tuottaa vaahtoa, joka sisältää grafeenia, joka koostuu yhdestä hiiliatomikerroksesta, joka on järjestetty kennoristikkoon, joka on 10 kertaa vahvempi kuin teräs, mutta 1000 kertaa kevyempi kuin paperiarkki pinta-alayksikköä kohti.

Grafeeni löydettiin ensimmäisen kerran Manchesterin yliopiston laboratoriosta vuonna 2004, kun tutkijat olivat vuosien ajan yrittäneet tuottaa yhden hiilikerroksen ja paljon teorioida. Havaittiin elektronimikroskoopilla vuonna 1962. Professorit Andre Geim ja Konstantin Novoselov käyttivät prosessia nimeltä '' skottiteipitekniikka ', jossa skotlantia käytettiin toistuvasti kuorimaan grafeenikerrokset grafiittikappaleesta, kunnes jäljellä oli vain yksi atomikerros. Tämä ansaitsi kahdelle tutkijalle Nobel-palkinnon vuonna 2010.

Lähitulevaisuudessa grafeenia voidaan mahdollisesti käyttää sähkökomponenteissa ja muissa kohteissa, kuten antureissa, paristoissa, komposiiteissa, ioninvaihtokalvoissa ja muissa tuotteissa. Tutkimusryhmä keskittyy kolmeen grafeenia ja kaksiulotteista materiaalia koskevaan projektiin, joita voidaan käyttää monissa sovelluksissa. Yhdessä projektista kehitetään edullinen mustesuihkutulostustekniikka mikroanturien rakentamiseksi. Niitä voitaisiin sitten käyttää energia-alalla ja sotilassovelluksiin. Toisessa projektissa tarkastellaan grafeenin käyttöä veden suolanpoistossa.

Professori Brian Derby Manchesterin yliopistosta, puhuessaan The Engineerille, selitti, että grafeenin käytön etu akkuelektrodeissa, vain yksi esimerkki, on se, että sillä on erittäin suuri pinta-ala ja silti vain yksi atomipaksu. Jotta materiaali olisi hyödyllistä, atomipaksut kerrokset on pakattava 3D-esineeseen. Siksi tutkijat yrittävät tuottaa vaahtoa grafeenista kehittääksesi tapoja pakata materiaali siten, että ne voidaan koota avaruuteen, mutta pitää niiden pinta-ala mahdollisimman paljon. Tiimi toivoo myös sellaisten komposiittien kehittämistä, joissa grafeenihiutaleet ovat dispergoituneet polymeerimatriisiin, mikä luo vahvan, mutta silti toimivan komposiitin.

Grafeenitutkimus Exeterin yliopistossa, Iso-Britannia [Kuva:Exeterin yliopisto, Flickr]

Kuinka grafeeni voisi hyödyttää uusiutuvan energian alaa?

Vuonna 2011 Luoteis-yliopiston insinöörit havaitsivat, että grafeenianodit pitävät energiaa paremmin kuin grafiitti, mikä mahdollistaa kymmenen kertaa paremman akun lataamisen mahdollisten sovellusten kanssa, mukaan lukien käyttö sähköajoneuvoissa. Vuonna 2013 Teksasin Rice-yliopiston tutkijat ennustivat, että grafeenia, lisäämällä joitain booriatomeja, voitaisiin käyttää tuottamaan erittäin ohut joustava anodi litiumioniakkuille. Boori auttaa litiumioneja tarttumaan grafeeniin ja auttaa siten lataamaan nopeasti, minkä vuoksi Rice University -tutkimus tehtiin yhdessä Honda, joka on vain yksi monista ajoneuvojen valmistajista, jotka tällä hetkellä tuottavat uusia EV-malleja. Muut yritykset, kuten Kia ja Hyundai, ovat osoittaneet kiinnostusta materiaaliin. Molemmat yritykset hakevat patentteja grafeenin käytöstä polttokennoissa.

Rice-yliopiston tutkijat havaitsivat myös, että vanadiinioksidiin sekoitettua grafeenia voidaan käyttää kehittämään korkean suorituskyvyn, kustannustehokkaita katodeja, jotka voidaan ladata uudelleen 20 sekunnissa ja säilyttää yli 90 prosenttia kapasiteetistaan ​​laajan käytön jälkeen. Grafeenia voidaan käyttää myös superkondensaattoreissa, ja UCLA-tutkijat ovat havainneet, että se voidaan päällystää DVD-levylle. DVD-poltinta voidaan sitten käyttää kirjoittamaan miljoonia superkondensaattoripiirejä grafeenikerrokseen, jotka voidaan myöhemmin irrottaa ja käyttää kuka tahansa, joka tarvitsee superkäyttöistä akkua. Ruotsin tiedemiehet ovat myös havainneet, että maghemiittia, punamalmia muistuttavaa rautaoksidityyppiä, voidaan lisätä grafeeniin, mikä saa sen muodostumaan nanorullaksi. Näitä voidaan sitten käyttää elektrodeina litiumioniakkuissa.

Professori Forsyth Manchesterin yliopiston sähkö- ja elektroniikkatekniikan korkeakoulusta uskoo, että grafeeni voi auttaa parantamaan sähköautojen tehokkuutta vähentämällä tällä hetkellä noin 200 kiloa painavien paristojen painoa. Tämä auttaisi myös pidentämään sähköautojen kantamaa yli 100 kilometrin etäisyydellä, etäisyyshäiriö on tällä hetkellä suurin tekijä, joka viivästyttää niiden käyttöönottoa. Grafeenin käyttö akkuissa voi kuitenkin myös lisätä energian varastointialaa, kun Manchesterin yliopisto on itse kokeillut kampusverkkomittakaavan akkua ja muunninjärjestelmää.

Mercedes SLS AMG E-cell Geneven autonäyttelyssä [Kuva:Cedric Ramirez, Flickr]

Grafeenia voidaan käyttää aurinkokennon osalta heijastuksenestopinnoitteiden kehittämiseen aurinkokennoille. Intian tutkijat ovat havainneet, että materiaali voi vähentää heijastuskykyä lähellä auringon spektrin ultraviolettiosaa 35 prosentista vain 15 prosenttiin. Silvija Gradečak Massachusettsin teknillisestä instituutista (MIT) on myös havainnut, että PV-kennojen grafeeni voi tuottaa paremman tehonmuuntotehokkuuden, kun taas muut Michiganin teknillisen yliopiston tutkijat ovat havainneet, että grafeeni voi korvata platinan aurinkokennojen elektrodeissa ilman tehokkuuden menetystä.

KATSO MYÖS: 10 erittäin suosittua sähköajoneuvoa ja hybridiä

Toinen mahdollinen materiaalin käyttö on korvata indiumtinaoksidia (ITO) aurinkokennoissa. Tämä on harvinaista ja kallista materiaalia. Sitä käytetään tällä hetkellä läpinäkyviin elektrodeihin, mutta se on myös hyvin hauras. MIT-tutkijat toivovat voivansa kehittää uuden grafeenista ja molybdeenidisulfidista valmistetun aurinkokennon, jolloin saadaan ohut ja kevyt aurinkokenno, joka on 1000 kertaa tehokkaampi kuin perinteiset piipaneelit.

Polttokennokäyttöisissä sähköajoneuvoissa grafeeni voisi auttaa vähentämään uusiutuvien vetypolttoaineiden kustannuksia, mikä puolestaan ​​merkitsisi enemmän vetypolttoaineasemia alhaisemmista käsittelykustannuksista johtuen. Rice-yliopiston tutkijat ovat osoittaneet typellä seostetun ja koboltilla lisätyn grafeenin olevan tehokas ja kestävä katalysaattori vedyn tuotannolle vedestä korvaten kallista platinaa.

Grafeenin kaksi suurinta uusiutuvan energian sovellusta näyttävät toistaiseksi olevan aurinkokennoja ja paristoja sähköautoille, vaikka materiaalin kokonaismarkkinoiden arvo on nyt yli 9 miljoonaa dollaria puolijohteiden, elektroniikan, paristojen ja komposiittien keskuudessa.

Manchesterin yliopiston suunniteltu uusi Graphene Engineering Innovation Center (GEIC) [Kuva:Manchesterin yliopisto]

Yhdistynyt kuningaskunta kilpailee nyt eteenpäin, Manchesterin yliopisto on nyt matkalla kohti toisen erikoistuneen grafeenitutkimuskeskuksen rakentamista, jolle on juuri annettu rakennuslupath Helmikuu. Grafeenitekniikan innovaatiokeskus (GEIC) keskittyy teollisuusjohtoiseen grafeenituotteiden kehittämiseen ja soveltamiseen yhteistyössä National Graphene Institute (NGI): n ja ehdotetun Sir Henry Royce Institute for Advanced Material Research -tutkimuslaitoksen kanssa, jotta grafeenin kehittäminen alkututkimus lopputuotteisiin, mikä vahvistaa Manchesterin johtavaksi globaaliksi grafeenitutkimuksen keskukseksi. Painopiste on nykyisten materiaalien parantamisessa ja uusien markkinoiden avaamisessa GEIC: n rahoituksella, jonka suurimmaksi osaksi tarjoavat Abu Dhabin uusiutuvan energian yritys Masdar ja Englannin Yhdistyneen kuningaskunnan tutkimuskumppanuusinvestointirahasto (UKRPIF). Keskuksen on määrä valmistua vuoden 2017 loppuun mennessä.


Katso video: Imagine patentoidun grafeenin kasvumahdollisuudet (Joulukuu 2020).