Grafen, dvourozměrný alotrop uhlíku, je známý od roku 2004. Připravuje se exfoliací grafitu nebo oxidu grafitu. Výzkum v oblasti grafenu a jeho modifikací je v současnosti velmi žhavým tématem, nedávno vyšlo review o materiálech založených na grafenu a jejich aplikacích v oblasti palivových a solárních článků, Li-ION baterií a superkondenzátorů.[1]
V těchto aplikacích se nejčastěji využívají kompozity grafenu, tzn. materiály složené z grafenu a další složky (složek). Při jejich přípravě se často vychází z grafenoxidu (GO), který umožňuje dosáhnout lepší homogenity finálního kompozitu. Pro přípravu Go existuje mnoho metod, nejčastěji se využívá Hummerova metoda. Vycházíme z grafitu, který oxidujeme manganistanem draselným (KMnO4), takto získaný oxid grafitu exfoliujeme použitím ultrazvuku a získáme GO. Existuje velké množství modifikací této metody. Pokud potřebujeme, aby byl vzniklý kompozit vodivý, musím GO zredukovat na redukovaný grafenoxid (rGO).
Dále se podíváme na jednotlivé aplikace.
Palivové články
Palivové články jsou zařízení, které produkují energii bez využívání fosilních paliv, jedním z nejběžnějších systému je elektrooxidace methanolu nebo ethanolu, které je možné získat z rostlin. Oxidace neběží samovolně, je nutné využít katalyzátor. Běžně se používá Pt/C (platina na aktivním uhlí), podstatně lepších výsledků bylo dosaženo nahradou aktivního uhlí za nanovrstvy grafenu (GNs – Graphene Nanosheets), katalyzátor se označuje jako Pt/GNs.
Superkondenzátory
Zdroj: https://commons.wikimedia.org/.
Autor: Maxwell Technologies, Inc.
Superkondenzátory[2] jsou kondenzátory s řádově vyšší kapacitou než mají klasické kondenzátory. Jde v podstatě o mezičlánek mezi kodenzátorem a akumulátorem. Využívají se v aplikacích, kde je potřeba provádět mnoho cyklů vybíjení/nabíjení v krátkém časovém intervalu, např. v rekuperačních systémech nebo pro krátkodobé ukládání energie, apod. Superkondenzátory se již ěžně prodávají, např. u TME.
V této oblasti jsou velmi důležité kompozity MOx/GNs, příp. GNs dopovaný nekovovými prvky, např. dusíkem nebo borem. Tyto materiály vykazují vysokou stabilitu i po několika tisících cyklech a mají také výhodné hodnoty kapacity.
Li-ION baterie
Využití grafenu pro konstrukci Li-ION akumulátorů je poměrně nová záležitost. Ilustrovat si to můžeme na úpravě elektrod z anatasu (modifikace TiO2), které mají nízkou vodivost a ionty Li+ jimi špatně difundují. Pokud elektrody vyrobíme z velmi tenké vrstvy rutilu (méně než 10 nm) a redukované grafenoxidu (rGO), dojde k podstatnému zvýšení rychlosti difuze lithných iontů, zvýšení vodivosti elektrod a také zlepšení jejich mechanických vlastností.[3]
Solární články
V solárních článcích využívajících fotocitlivé barvivo se využívá grafen pro zlepšování vlastností elektrod. Zde se setkáváme hlavně se systémy Pt/rGO a TiO2/GNs.
Chemie grafenu je v současnosti velmi populární a počet publikací na toto téma roste, zařízení obsahující některou z forem grafenu se už objevují i v praktických aplikacích. Ale i tak ještě zbývá spousta nedokončených úkolů, jedním z hlavních problémů je neekologická příprava GO, kde se využívají toxické a silně reaktivní oxidační směsi.