گرافن و تغییرات آب و هوایی
سوخت‌های فسیلی آلاینده و ناپایدار به طور پیوسته با منابع انرژی پاک و تجدیدپذیر مانند باد و انرژی خورشیدی جایگزین می‌شوند. با این حال، طبیعت متناوب این منابع انرژی به این معنی است که برای استفاده از مزایای کامل، به دستگاه‌های ذخیره یا تبدیل انرژی نیاز است.
این دستگاه‌های ذخیره‌ساز انرژی باید با سیستم ادغام شوند تا کارآمدتر و مقرون‌به‌صرفه شوند. گرافن می‌تواند با ارائه شکل جایگزین تولید انرژی، سهم مهمی داشته باشد. رسانایی الکتریکی و حرارتی بالا، پایداری مکانیکی و جذب اشعه خورشید مواردی است که این ماده را برای استفاده در سلول‌های سوختی، باتری‌های لیتیوم-یون، ابرخازن‌ها و سلول‌های خورشیدی رنگ‌حساس ایده‌آل می‌سازد.
سلول‌های سوختی گرافنی
سلول‌های سوختی با استفاده از کاتالیزور گران‌قیمت پلاتین، انرژی شیمیایی موجود در سوخت را با راندمان بالا به الکتریسیته تبدیل می‌کنند. تحقیقات بر جایگزین کردن این فلز با فلزات غیرگران‌بها و یا اکسیدهای فلزی متمرکز شده است. در این میان گرافن به دلیل رسانایی بالا و مساحت سطح وسیع و چسبندگی به ذرات کاتالیست، یک مدعی قدرتمند است.
پیش از این از گرافن در سلول‌های سوختی به عنوان ماده پشتیبان برای کاتالیزور آند استفاده می‌شد، اما می‌توان از آن برای کاهش بار کاتالیست‌های پلاتین/آلیاژ پلاتین، بهبود رسانایی الکتریکی کاتالیست و پراکندگی فلز برای افزایش فعالیت و کاهش بار یا به طور کلی جایگزینی آن، استفاده کرد.
در کاتد، گرافن برای پشتیبانی از کاتالیست کاتد مورد استفاده قرار می‌گیرد و در صورت دوپه شدن با بور یا نیتروژن می‌تواند فعالیت را افزایش دهد. تحقیقات همچنین نشان می‌دهد که گرافن می‌تواند به عنوان یک کاتالیست مستقل استفاده شود. هنگامی که با نانولوله‌های کربنی مخلوط شود، واکنش کاهش اکسیژن (ORR) افزایش یافته را نشان می‌دهد، که می‌تواند با دوپه شدن با نیتروژن، گوگرد یا بور بیشتر تقویت شود.
گرافن همچنین می‌تواند به عنوان غشای الکترولیت سلول سوختی، بخشی از سلول که مسئول انتقال یون‌ها بین کاتد و آند است، مورد استفاده قرار گیرد. غشا باید رسانایی یونی و پایداری شیمیایی، حرارتی و مکانیکی بالایی از خود نشان دهد، که در این مورد گرافن اکسید مناسب است.
سلول‌های خورشیدی حساس به رنگ (DSSC)
DSSC ها برای برداشت مستقیم انرژی خورشیدی امیدوارکننده هستند؛ گرافن می‌تواند کارایی خود را در فوتوآند، الکترولیت و الکترود متقابل افزایش دهد. این ماده جمع‌آوری نور و انتقال الکترونیکی را در فوتوآند افزایش می‌دهد و عملکرد را در الکترود شمارنده بهبود می‌بخشد.
گرافن برای جلوگیری از نشت، تبخیر و خوردگی نیز به الکترولیت پلیمری جامد اضافه شده و نتایج امیدوارکننده‌ای را از نظر پایداری و کارایی از خود نشان داده است.
باتری‌های مبتنی بر گرافن
باتری‌های مبتنی بر گرافن یکی از پیشرفته‌ترین دستگاه‌های ذخیره انرژی هستند. این ماده قابلیت استفاده در انواع مختلف باتری را دارد. معمولاً همراه با گرافیت یک الکترود ترکیبی را تشکیل می‌دهد و می‌تواند کارایی، پایداری و نرخ چرخه/تخلیه را بهبود بخشد.
در باتری‌های لیتیوم-یون، کربن گرافیتی به عنوان ماده آند استفاده می‌شود؛ چون بلورینگی بالایی دارد و چیدمان لایه‌های گرافن منجر به تشکیل LiC6 می‌شود. این امر باعث می‌شود که الکترون‌ها بین لیتیوم و کربن که بین دو ورق ذخیره می‌شود، انتقال الکترون و ظرفیت انرژی بالایی داشته باشد.
استفاده از ابرخازن‌ها و گرافن
ابرخازن‌ها ترکیبی از یک باتری و خازن هستند و می‌توانند انرژی را به سرعت منتقل کرده و تقریباً به همان سرعت دوباره شارژ شوند. گرافن به دلیل مساحت سطح، پایداری و رسانایی زیاد می‌تواند به عنوان جایگزینی برای مواد فعلی برای ذخیره یون بر روی الکترودهای ابرخازن استفاده شود.
گرافن می‌تواند به عنوان پوششی بر روی یک صفحه خازن استفاده شود تا پوشش لایه دوگانه را تشکیل دهد، یا به عنوان یک الکترود، سطح الکترود را بهبود بخشد و هدایت شبکه را افزایش دهد، که منجر به انتقال یونی بهتر از طریق الکترولیت می‌شود. امید است روزی ابرخازن‌ها بتوانند جایگزینی مناسبی برای باتری‌های لیتیوم-یون ارائه دهند.
آینده گرافن
گرافن مدت‌ها به عنوان یک ماده تحول‌آفرین مورد استقبال قرار گرفته‌است و به نظر می‌رسد که این ماده می‌تواند تقریباً در همه جا تأثیر داشته باشد. اگرچه تحقیقات هنوز در مراحل ابتدایی است، اما مشخص است که گرافن به دلیل مساحت سطح، رسانایی الکتریکی و حرارتی و پایداری زیاد، می‌تواند نقش زیادی در دستگاه‌های ذخیره انرژی ایفا کند.
درباره نویسنده «کری تیلور-اسمیت»
کری دارای مدرک کارشناسی در علوم طبیعی است و از سال ۲۰۱۶ به عنوان یک نویسنده، ویراستار و تصحیح‌کننده مستقل فعالیت دارد. او در زمینه علوم و موضوعات مربوط به سلامت تخصص دارد، اما مطالب زیادی را در موضوعات مختلف نوشته‌است.
کری با دنبال کردن شور و اشتیاقش به علوم، درسش را در رشته علوم طبیعی در دانشگاه باث به پایان رساند. او در آنجا طیف وسیعی از مباحث، از جمله شیمی، زیست‌شناسی و علوم محیطی را مطالعه کرد. اشتیاق او به نوشتن زمانی بیشتر شد که در روزنامه دانشگاه به عنوان همکار سردبیر فعالیت می‌کرد. کری دوره‌ای را نیز در زمینه روزنامه نگاری گذرانده است.
آثار کری به عنوان یک نویسنده مستقل در بسیاری از مجلات علوم، پزشکی و سبک زندگی، از جمله AZo منتشر شده‌است. مقالات او طیف گسترده‌ای از موضوعات شامل نانوتکنولوژی، فیزیک، تجهیزات پزشکی، دارو و مسائل زیست‌محیطی را پوشش می‌دهد. هدف او این است که اطلاعات پیچیده و فنی را جمع‌آوری کند و آنها را به محتوای جالب و جذابی تبدیل کند که هم برای متخصصان و هم افرادی که اطلاعات کمی از موضوع دارند مورد توجه قرار گیرد.