Die Struktur von Graphen [Bild : UCL Mathematik und Physik, Flickr ]
Anfang Januar dieses Jahres, Ende Januar, gaben die Universitäten Manchester und Abu Dhabi ihre Absicht bekannt, an einem Projekt zur Herstellung von Schaum mit Graphen zusammenzuarbeiten, einem Material, das aus einer einzelnen Schicht von Kohlenstoffatomen besteht, die in einem Wabengitter angeordnet sind, das zehnmal stärker ist alsStahl, aber 1000-mal leichter als ein Blatt Papier pro Flächeneinheit.
Graphen wurde erstmals 2004 in einem Labor an der Universität Manchester entdeckt, nachdem Wissenschaftler jahrelang versucht hatten, eine einzelne Kohlenstoffschicht herzustellen und viel zu theoretisieren, was 1962 mit einem Elektronenmikroskop beobachtet wurde. Die Professoren Andre Geim und Konstantin Novoselov verwendeten ein Verfahren namensdas 'Klebebandtechnik' in dem wiederholt Klebeband verwendet wurde, um Graphenschichten von einem Stück Graphit abzuziehen, bis nur noch eine einzige Atomschicht übrig war. Dies brachte den beiden Wissenschaftlern 2010 einen Nobelpreis ein.
In naher Zukunft könnte Graphen möglicherweise für elektrische Komponenten und andere Gegenstände wie Sensoren, Batterien, Verbundwerkstoffe, Ionenaustauschermembranen und andere Produkte verwendet werden. Das Forschungsteam wird sich auf drei Projekte mit Graphen und zweidimensionalen Materialien konzentrierenEines der Projekte wird eine kostengünstige Tintenstrahldrucktechnik für den Bau von Mikrosensoren entwickeln. Diese könnten dann im Energiesektor und für militärische Anwendungen eingesetzt werden. Ein weiteres Projekt wird das Potenzial untersuchenzur Verwendung von Graphen bei der Wasserentsalzung.
Professor Brian Derby von der Manchester University im Gespräch mit Der Ingenieur erklärte, dass der Vorteil der Verwendung von Graphen in Batterieelektroden, um nur ein Beispiel zu nennen, darin besteht, dass es eine sehr große Oberfläche hat und dennoch nur ein Atom dick ist. Damit das Material jedoch nützlich ist, ist es das Atom-dicke Schichten müssen in einem 3D-Objekt verpackt werden. Aus diesem Grund werden die Forscher versuchen, Schaum aus Graphen herzustellen, um Möglichkeiten zu entwickeln, das Material so zu verpacken, dass sie im Raum zusammengebaut werden können, aber ihre Oberfläche so weit wie möglich haltenDas Team hofft auch, Verbundwerkstoffe zu entwickeln, in denen Graphenflocken in einer Polymermatrix dispergiert sind, wodurch ein starker, aber immer noch bearbeitbarer Verbundwerkstoff entsteht.
Graphenforschung an der University of Exeter, UK [Bild : Universität von Exeter, Flickr ]
Wie könnte Graphen dem Sektor der erneuerbaren Energien zugute kommen?
Im Jahr 2011 stellten Ingenieure der Northwestern University fest, dass Graphenanoden Energie besser halten als Graphit wodurch eine zehnmal bessere Batterieladung ermöglicht wird, mit potenziellen Anwendungen, einschließlich der Verwendung in Elektrofahrzeugen. 2013 sagten Forscher der Rice University in Texas voraus, dass Graphen unter Zusatz einiger Boratome zur Herstellung verwendet werden könnteein ultradünne flexible Anode für Lithium-Ionen-Batterien . Das Bor hilft den Lithiumionen, am Graphen zu haften, wodurch eine schnelle Aufladung erreicht wird. Aus diesem Grund wurde die Forschung der Rice University in Zusammenarbeit mit Honda durchgeführt, einem von vielen Fahrzeugherstellern, die derzeit neue EV-Modelle herstellen. Andere Unternehmen, wie Kia und Hyundai haben Interesse an dem Material gezeigt, beide Unternehmen Patentanmeldung für die Verwendung von Graphen in Brennstoffzellen.
Die Forscher der Rice University fanden auch heraus, dass mit Vanadiumoxid vermischtes Graphen verwendet werden kann, um leistungsstarke, kostengünstige Kathoden zu entwickeln, die in 20 Sekunden wieder aufgeladen werden können und nach ausgiebiger Verwendung mehr als 90 Prozent ihrer Kapazität behalten. Graphen kann es auch seinbenutzt für Superkondensatoren und UCLA-Forscher haben das entdeckt kann auf eine DVD beschichtet werden . Mit einem DVD-Brenner können dann Millionen von Superkondensatorschaltungen in die Graphenschicht eingeschrieben werden, die anschließend abgezogen und von jedem verwendet werden können, der eine Batterie mit Superantrieb benötigt. Wissenschaftler in Schweden haben auch Maghemit entdeckt, eine Art Eisenoxidähnlich wie rotes Erz, kann Graphen zugesetzt werden, wodurch es entsteht zu einem Nanoscroll zusammenrollen . Diese können dann als Elektroden in Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden.
Professor Forsyth von der Manchester University Fakultät für Elektrotechnik und Elektronik glaubt, dass Graphen dazu beitragen kann, die Effizienz von Elektrofahrzeugen zu steigern Reduzierung des Batteriegewichts das derzeit rund 200 Kilogramm wiegen kann. Dies würde auch dazu beitragen, die Reichweite von Elektrofahrzeugen über 100 Kilometer hinaus zu erweitern, wobei die Reichweitenangst derzeit der Hauptfaktor für die Verzögerung ihrer Aufnahme ist. Die Verwendung von Graphen in Batterien könnte jedoch auch den Energiespeichersektor ankurbelnDie Universität Manchester selbst hat auf ihrem Campus ein Batterie- und Konvertersystem im Netzmaßstab getestet.
Mercedes SLS AMG E-Zelle auf dem Genfer Autosalon [Bild : Cedric Ramirez, Flickr ]
In Bezug auf Solar-PV kann Graphen zur Entwicklung verwendet werden Antireflexbeschichtungen Für Solarzellen haben Forscher in Indien herausgefunden, dass das Material das Reflexionsvermögen in der Nähe des ultravioletten Teils des Sonnenspektrums von 35 Prozent auf nur 15 Prozent reduzieren kann. Silvija Gradečak vom Massachusetts Institute of Technology MIT hat auch festgestellt, dass Graphen in PV vorhanden istZellen können liefern höhere Leistungsumwandlung Effizienz, während andere Forscher der Michigan Technological University herausgefunden haben, dass Graphen Platin in Solarzellenelektroden ohne Effizienzverlust ersetzen kann.
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Eine weitere mögliche Verwendung für das Material ist ersetzt Indiumzinnoxid ITO in Solarzellen. Dies ist ein Material, das selten und teuer ist. Es wird derzeit für transparente Elektroden verwendet, ist aber auch sehr spröde. MIT-Wissenschaftler hoffen, eine neue Solarzelle aus zu entwickeln. Graphen und Molybdändisulfid was zu einer Solarzelle führt, die dünn und leicht ist und einen 1000-mal höheren Wirkungsgrad als herkömmliche Siliziumplatten aufweist.
In Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugen FCEVs könnte Graphen dazu beitragen, die Kosten für erneuerbaren Wasserstoff zu senken, was wiederum zu mehr Wasserstoff-Tankstellen aufgrund geringerer Verarbeitungskosten führen würde. Mit Stickstoff dotiertes und mit Kobalt angereichertes Graphen wurde von gezeigt Wissenschaftler der Rice University um ein wirksamer und dauerhafter Katalysator für die Wasserstoffproduktion aus Wasser zu sein und teures Platin zu ersetzen.
Bisher scheinen die beiden Hauptanwendungen von Graphen im Bereich erneuerbare Energien Solarzellen und Batterien für Elektrofahrzeuge zu sein, obwohl der Gesamtmarkt für das Material für Halbleiter, Elektronik, Batterien und Verbundwerkstoffe jetzt einen Wert von über 9 Mio. USD aufweist.
geplantes neues Graphene Engineering Innovation Center GEIC der Universität Manchester [Bild : Universität Manchester ]
Großbritannien treibt dies jetzt voran, und die Universität Manchester ist auf dem besten Weg, ein zweites spezialisiertes Graphenforschungszentrum zu errichten, dem gerade am 15. die Baugenehmigung erteilt wurde. th Februar. Das Graphene Engineering Innovation Center GEIC wird sich in Zusammenarbeit mit dem National Graphene Institute NGI und dem vorgeschlagenen Sir Henry Royce Institute for Advanced Material Research auf die branchenführende Entwicklung und Anwendung von Graphenprodukten konzentrierenErmöglichen Sie die Entwicklung von Graphen von der ersten Forschung bis zu Endprodukten und etablieren Sie damit Manchester als weltweit führendes Zentrum für die Graphenforschung. Der Schwerpunkt wird auf der Verbesserung der derzeit vorhandenen Materialien und der Erschließung neuer Märkte mit der Finanzierung des GEIC liegen, das größtenteils von Abu Dhabi aus erneuerbaren Energien bereitgestellt wirdUnternehmen Masdar und der Higher Education Funding Council für Englands UK Research Partnership Investment Fund UKRPIF. Das Zentrum soll bis Ende 2017 fertiggestellt sein.