Өнеркәсіп

Жаңартылатын энергия жүйелері үшін графеннің әлеуеті

Жаңартылатын энергия жүйелері үшін графеннің әлеуеті

Графеннің құрылымы [Сурет:UCL математикалық және физикалық ғылымдар, Flickr]

Биылғы жылдың басында, қаңтардың соңында Манчестер мен Абу-Даби университеттері ұялы торда орналасқан көміртегі атомдарының бір қабатынан тұратын, құрамында болаттан 10 есе берік, бірақ құрамында графен бар көбік шығаратын жоба бойынша ынтымақтастыққа ниет білдірді. Бірлікке шаққанда қағаз парағынан 1000 есе жеңіл.

Графен алғаш рет 2004 жылы Манчестер Университетіндегі зертханадан табылды, ғалымдардың 1962 жылы электронды микроскоп арқылы бақыланатын көміртектің бір қабатын және көп теоризация жасау әрекетінен кейін. Профессорлар Андре Гейм мен Константин Новоселов '' скотч таспасы ', бұл скотч бірнеше рет графит қабатынан графит қабатын қабаттардан тазарту үшін бірнеше рет атомдардың бір қабаты қалғанша қолданылған. Бұл екі ғалымға 2010 жылы Нобель сыйлығын берді.

Жақын болашақта графенді электр компоненттері мен датчиктер, аккумуляторлар, композиттер, ион алмастырғыш мембраналар және басқа да бұйымдар үшін пайдалануға болады. Зерттеу тобы графен мен екі өлшемді материалдарды қамтитын үш жобаға назар аударатын болады, оларды бірқатар қосымшаларда қолдануға болады. Жобалардың бірінде микро датчиктерді салудың арзан бағалы сиямен басып шығару әдістемесі жасалады. Оларды энергетика саласында және әскери мақсатта қолдануға болады. Тағы бір жоба графенді суды тұщыландыруда қолдану әлеуетін қарастырады.

Инженермен сұхбаттасқан Манчестер университетінің профессоры Брайан Дерби графинді аккумуляторлық электродтарда қолданудың артықшылығы, тек бір ғана мысал келтіруге болатындығы, оның беткі қабаты өте жоғары, бірақ қалыңдығы тек бір атомды құрайды. Дегенмен, материал пайдалы болуы үшін атом қалыңдығы бар қабаттарды 3D нысанда орау керек. Сондықтан зерттеушілер материалды кеңістікте жиналатын, бірақ олардың беткі қабатын мүмкіндігінше ұстап тұратындай етіп орау тәсілдерін жасау үшін графеннен көбік өндіруге тырысады. Сондай-ақ, команда графеннің үлпектері полимерлі матрицада таралатын композиттер әзірлеуге үміттенеді, осылайша берік, бірақ әлі де жұмыс істейтін композиция жасайды.

Экзетер университетіндегі графендік зерттеулер, Ұлыбритания [Сурет:Экзетер университеті, Фликр]

Графен жаңартылатын энергия секторына қандай пайда әкелді?

2011 жылы Солтүстік-Батыс университетінің инженерлері графен анодтарының графиттен гөрі энергияны жақсы ұстайтынын анықтады, осылайша аккумуляторды он есе жақсы зарядтауға мүмкіндік береді, соның ішінде электр көліктерінде (ЭВ) қолданылуы мүмкін. 2013 жылы Техастағы Райс Университетінің зерттеушілері кейбір бор атомдарын қосып, графенді литий-ионды батареяларға ультра жіңішке икемді анод жасау үшін пайдалануға болады деп болжады. Бор литий иондарының графенге жабысуына көмектеседі, осылайша жылдам зарядтауға көмектеседі, сондықтан Райс университетінің зерттеулері қазіргі уақытта жаңа EV модельдерін шығаратын көптеген көлік өндірушілерінің бірі Honda-мен бірлесе жүргізілді. Материалға Kia және Hyundai сияқты басқа компаниялар қызығушылық танытты, екі компания да отын ұяшықтарында графенді қолдануға патент береді.

Райс университетінің зерттеушілері сонымен қатар ванадий оксидімен араластырылған графенді 20 секунд ішінде қайта зарядтауға болатын және кеңінен қолданғаннан кейін өзінің сыйымдылығының 90 пайызынан астамын сақтайтын жоғары өнімді, үнемді катодтарды жасау үшін қолдануға болатындығын анықтады. Графенді суперконденсаторлар үшін де қолдануға болады және UCLA зерттеушілері оны DVD-ге жабуға болатындығын анықтады. Одан кейін DVD-дегі оттықты графен қабатына миллиондаған суперконденсаторлық тізбектерді енгізу үшін пайдалануға болады, оны кейіннен тазартуға болады және өте қуатты батареяны қажет ететін кез-келген адам қолдана алады. Швециядағы ғалымдар магенитті қызыл рудаға ұқсас темір оксидінің бір түрін графенге қосып, оның наноскролге айналуын анықтады. Оларды литий-ионды батареяларда электрод ретінде қолдануға болады.

Манчестер Университетінің электротехникалық және электронды инженерлік мектебінің профессоры Форсайт графен қазіргі уақытта салмағы 200 килограмға жететін батареялардың салмағын азайту арқылы ЭВ тиімділігін арттыруға көмектеседі деп санайды. Бұл сонымен қатар ЭҚ-ны 100 шақырымнан асыруға көмектеседі, ал қазіргі уақытта оларды қабылдауды кейінге қалдыратын негізгі фактор болып табылады. Сонымен қатар графенді батареяларда қолдану энергияны сақтау секторын дамыта алады, өйткені Манчестер Университеті өз кампусында торлы батарея мен конвертер жүйесін сынап көрді.

Женева автосалонында Mercedes SLS AMG электронды ұяшық [Сурет:Седрик Рамирес, Flickr]

Күн сәулесіне қатысты графенді күн батареялары үшін шағылысқа қарсы жабындарды жасау үшін қолдануға болады, Үндістандағы зерттеушілер бұл материал күн спектрінің ультрафиолет бөлігінің жанындағы шағылыстыруды 35 пайыздан 15 пайызға дейін төмендететіндігін анықтады. Массачусетс технологиялық институтының (MIT) қызметкері Сильвия Градечак сонымен қатар PV жасушаларындағы графен қуатты конверсиялаудың жоғары тиімділігін қамтамасыз ете алатынын анықтады, ал Мичиган технологиялық университетінің басқа зерттеушілері графен күн батареялары электродтарындағы платинаны тиімділікті жоғалтпай алмастыра алатындығын анықтады.

ҚАРАҢЫЗ: 10 өте танымал электромобильдер (ЭВ) және гибридтер

Материал үшін тағы бір ықтимал пайдалану - бұл күн батареяларындағы индий қалайы оксидін (ITO) ауыстыру. Бұл сирек кездесетін және қымбат тұратын материал. Қазіргі уақытта ол мөлдір электродтар үшін қолданылады, бірақ сонымен бірге өте сынғыш. MIT ғалымдары графен мен молибденнің дисульфидінен жасалған жаңа күн батареясын шығаруға үміттенеді, нәтижесінде күн батареясы жіңішке және жеңіл, кәдімгі кремний панельдерінен 1000 есе жоғары тиімділікке ие.

Отын элементтері бар электромобильдерде (FCEV) графен жаңартылатын сутегі отынының құнын төмендетуге көмектесе алады, бұл өз кезегінде өңдеу шығындарының төмендеуіне байланысты сутегі отын станцияларын көбейтеді. Азотпен қоспаланған және кобальтпен толықтырылған графенді Райс университетінің ғалымдары қымбат платинаны алмастыратын судан сутегі алудың тиімді және берік катализаторы екенін көрсетті.

Графеннің жаңартылатын энергия көздеріне арналған екі негізгі қосымшасы - бұл күн батареялары және электр қуаты бар батареялар сияқты, дегенмен материалдың жалпы нарығы жартылай өткізгіштер, электроника, аккумуляторлар мен композиттер бойынша 9 миллион доллардан асады.

Манчестер университетінің жоспарланған жаңа графендік инженерлік-инновациялық орталығы (GEIC) [Сурет:Манчестер университеті]

Ұлыбритания қазір осымен алға ұмтылады, Манчестер Университеті енді графен бойынша екінші мамандандырылған зерттеу орталығын салу жолында, оған 15-те жоспарлауға рұқсат берілді.мың Ақпан. Графен инженерлік-инновациялық орталығы (GEIC) графеннің дамуын қамтамасыз ету мақсатында Ұлттық Графен Институтымен (NGI) және ұсынылған Сэр Генри Ройстың жетілдірілген материалдарды зерттеу институтымен бірлесіп, графен өнімдерін өндіріске енгізуге және қолдануға бағытталған. өнімдерді түпкілікті жасау бойынша алғашқы зерттеулер, осылайша Манчестерді графенді зерттеудің жетекші әлемдік хабы ретінде құрды. Қазіргі уақытта қолданыстағы материалдарды жақсартуға және GEIC-ті қаржыландырумен жаңа нарықтарды ашуға негізінен Әбу-Даби жаңартылатын энергия көзі Масдар компаниясы мен Англияның Ұлыбританияның ғылыми зерттеу серіктестігінің инвестициялық қорының (UKRPIF) жоғары білім беруді қаржыландыру кеңесі бөледі. Орталық 2017 жылдың соңына дейін салынуы керек.


Бейнені қараңыз: Энергия. Энергияның түрленуі және сақталуы (Желтоқсан 2021).