Промишленост

Потенциалът на графена за възобновяеми енергийни системи

Потенциалът на графена за възобновяеми енергийни системи

Структурата на графен [Изображение:UCL Математически и физически науки, Flickr]

По-рано тази година, в края на януари, университетите в Манчестър и Абу Даби обявиха намерението си да си сътрудничат по проект за производство на пяна, съдържаща графен, материал, състоящ се от един слой въглеродни атоми, разположени в решетка от пчелна пита, която е 10 пъти по-здрава от стоманата, но 1000 пъти по-лек от лист хартия на единица площ.

Графенът е открит за първи път в лаборатория в Университета в Манчестър през 2004 г. след години опити на учените да произведат един слой въглерод и много теоретизиране, наблюдавани чрез електронен микроскоп през 1962 г. Професорите Андре Гейм и Константин Новоселов използват процес, наречен „ техника на скоч лента “, при която скоч лентата многократно се използва за отлепване на слоеве графен от парче графит, докато не остане само един слой атоми. Това спечели на двамата учени Нобелова награда през 2010 г.

В близко бъдеще графенът може потенциално да се използва за електрически компоненти и други елементи като сензори, батерии, композити, йонообменни мембрани и други продукти. Изследователският екип ще се фокусира върху три проекта, включващи графен и двуизмерни материали, които могат да бъдат използвани в редица приложения. Един от проектите ще разработи евтина техника за мастилено-струен печат за изграждане на микросензори. След това те могат да се използват в енергийния сектор и за военни приложения. Друг проект ще разгледа възможността за използване на графен при обезсоляване на водата.

Професор Брайън Дерби от университета в Манчестър, в разговор с The Engineer, обясни, че предимството от използването на графен в батерийните електроди, за да цитираме само един пример, е, че той има много голяма повърхност и въпреки това е с дебелина само един атом. Въпреки това, за да бъде материалът полезен, слоевете с дебелина на атома трябва да бъдат опаковани в 3D обект. Ето защо изследователите ще се опитват да произвеждат пяна от графен, за да разработят начини за опаковане на материала, така че те да могат да бъдат сглобени в космоса, но да задържат повърхността си колкото е възможно повече. Екипът също се надява да разработи композити, в които графеновите люспи се разпръскват в полимерна матрица, като по този начин се създава силен, но все още работещ композит.

Изследване на графен в Университета в Ексетър, Великобритания [Изображение:Университет в Ексетър, Flickr]

Как може графенът да е от полза за сектора на възобновяемата енергия?

През 2011 г. инженери от Северозападния университет установиха, че графеновите аноди държат енергия по-добре от графита, като по този начин позволяват десет пъти по-добро зареждане на батерията, с потенциални приложения, включително използване в електрически превозни средства. През 2013 г. изследователи от университета Райс в Тексас прогнозираха, че графенът, с добавянето на някои борни атоми, може да се използва за производството на ултратънък гъвкав анод за литиево-йонни батерии. Борът помага на литиевите йони да се придържат към графена, като по този начин помага да се достави бързо зареждане, поради което изследването на университета Райс е проведено съвместно с Honda, само един от многото производители на превозни средства, които в момента произвеждат нови EV модели. Други компании, като Kia и Hyundai, са проявили интерес към материала, като двете компании подават патенти за използването на графен в горивните клетки.

Изследователите от университета Райс също установяват, че графенът, смесен с ванадиев оксид, може да се използва за разработване на високоефективни, рентабилни катоди, които могат да бъдат презаредени за 20 секунди и да запазят повече от 90 процента от капацитета си след продължителна употреба. Графенът може да се използва и за суперкондензатори и изследователите на UCLA са открили, че той може да бъде покрит върху DVD. След това DVD горелка може да се използва за вписване на милиони вериги за суперкондензатор в слоя графен, които впоследствие могат да бъдат отлепени и използвани от всеки, който се нуждае от супер захранвана батерия. Учените в Швеция също са открили, че магхемитът, вид железен оксид, подобен на червената руда, може да се добави към графена, което го кара да се навива в наносвитък. След това те могат да се използват като електроди в литиево-йонни батерии.

Професор Форсайт от Училището по електрическо и електронно инженерство в университета в Манчестър вярва, че графенът може да помогне за повишаване на ефективността на електромобилите, като намали теглото на батериите, които в момента могат да тежат около 200 килограма. Това също би помогнало да се разшири обхватът на електромобилите над 100 километра, като понастоящем тревожността от обхвата е основният фактор, забавящ приемането им. Използването на графен в батериите обаче също може да стимулира сектора за съхранение на енергия, като самият университет в Манчестър е изпробвал мрежа от батерии и преобразуватели в своя кампус.

Mercedes SLS AMG E-cell на автомобилно изложение в Женева [Изображение:Седрик Рамирес, Flickr]

Що се отнася до слънчевата PV, графенът може да се използва за разработване на антирефлексно покритие за слънчеви клетки, изследователи в Индия установиха, че материалът може да намали отражателната способност в близост до ултравиолетовата част на слънчевия спектър от 35% до само 15%. Силвия Градечак от Масачузетския технологичен институт (MIT) също установи, че графенът в PV клетките може да осигури по-висока ефективност на преобразуване на мощност, докато други изследователи от Мичиганския технологичен университет са открили, че графенът може да замести платината в електродите на слънчевите клетки без загуба на ефективност.

ВИЖТЕ СЪЩО: 10 много популярни електрически превозни средства (EV) и хибриди

Друга потенциална употреба на материала е замяната на индий калаев оксид (ITO) в слънчеви клетки. Това е материал, който е рядък и скъп. В момента се използва за прозрачни електроди, но е и много чуплива. Учените от MIT се надяват да разработят нова слънчева клетка, изработена от графен и молибден дисулфид, в резултат на което слънчевата клетка е тънка и лека с 1000 пъти по-голяма ефективност от конвенционалните силициеви панели.

В електрическите превозни средства с горивни клетки (FCEVs) графенът може да помогне за намаляване на разходите за възобновяемо водородно гориво, което от своя страна би означавало повече водородни бензиностанции поради по-ниските разходи за преработка. Графенът, легиран с азот и увеличен с кобалт, е показан от учените от университета Райс като ефективен и траен катализатор за производството на водород от вода, заместващ скъпата платина.

До този момент двете основни приложения на възобновяемата енергия на графен следователно изглежда са слънчеви клетки и батерии за електромобили, въпреки че общият пазар на материала вече струва над 9 милиона долара за полупроводници, електроника, батерии и композитни материали.

Планираният нов център за инженерно иновационно изграждане на графен в Манчестър (GEIC) [Изображение:Университет в Манчестър]

Обединеното кралство вече се надпреварва с това, Манчестърският университет вече е на път да изгради втори специализиран изследователски център за графен, който току-що получи разрешение за планиране на 15ти Февруари. Graphene Engineering Innovation Center (GEIC) ще се съсредоточи върху ръководената от индустрията разработка и приложение на графенови продукти, като си сътрудничи с Националния институт за графен (NGI) и предложения Институт за усъвършенствани изследвания на материалите на сър Хенри Ройс, за да позволи развитието на графен от първоначални изследвания за крайни продукти, като по този начин се утвърждава Манчестър като водещ световен център за изследване на графен. Акцентът ще бъде върху подобряването на съществуващите в момента материали и отварянето на нови пазари с финансиране за GEIC, до голяма степен осигурено от Абу Даби, компания за възобновяеми енергийни източници Masdar и Съвета за финансиране на висшето образование за Английския инвестиционен фонд за партньорство за научни изследвания в Обединеното кралство (UKRPIF). Центърът трябва да бъде завършен до края на 2017 г.


Гледай видеото: Biomimicry and Landscape Architecture (Януари 2022).