Nowe materiały na bazie grafenu

Powszechny entuzjazm wobec zastosowania grafenu w przemyśle nieco zgasł ze względu na ograniczenia związane z wysokimi kosztami, skalowalnością i jakością. Testowano różne metody, które albo pozostawiają defekty w wytwarzanym materiale, albo mają niską wydajność. Dlatego pilnie potrzebna jest metoda produkcji wysokiej jakości grafenu na dużą skalę, posiadającego nowe funkcje.

Pakiet roboczy Graphene Flagship dotyczący pianek i powłok funkcjonalnych, realizowany pod kierownictwem prof. Xinlianga Fenga z Politechniki Drezdeńskiej w Niemczech, koncentruje się na obróbce chemicznej i funkcjonalnych zastosowaniach materiałów grafenowych i pochodnych (GRM). „Naszym celem jest wytworzenie porowatych struktur, takich jak pianki i membrany, głównie do filtracji, oraz funkcjonalnych cienkich folii do różnych zastosowań”, wyjaśnia dr Martin Lohe, lider grupy ds. innowacji i przemysłu na Uniwersytecie w Dreźnie.

Zwiększenie skali produkcji grafenu

Naukowcy z powodzeniem opracowali proces produkcji grafenu w warunkach laboratoryjnych oparty na eksfoliacji elektrochemicznej, który pozwala uzyskać wysokiej jakości grafen przy bardzo wysokiej wydajności. Polega on na użyciu elektrolitu i prądu elektrycznego, które w ciągu kilku minut lub godzin w warunkach otoczenia napędzają tworzenie się struktury. Eksfoliacja elektrochemiczna jest również przyjazna dla środowiska i może być dostosowana do naturalnych zasobów węgla.

Najważniejszą zaletą tej metody jest to, że grafen o regulowanych właściwościach może być produkowany poprzez prostą zmianę materiału wyjściowego i warunków procesu. W efekcie może być wytwarzany na zamówienie, w zależności od danego zastosowania.

Naukowcy musieli pokonać pewne przeszkody związane głównie z tym, że wysokiej jakości grafen ma tendencję do sklejania się w stosy. Aby rozwiązać ten problem, użyto środków funkcjonalizujących, które umożliwiły powstanie wysoce przewodzącego, ale rozcieńczalnego w wodzie grafenu. Jednocześnie podejście to zwiększyło wydajność i stabilność materiału.

Nowe zastosowania grafenu

Dzięki funkcjonalizacji grafen może nadawać się do wielu różnych zastosowań, takich jak fotokataliza wewnętrzna i zewnętrzna, odsalanie i oczyszczanie, magazynowanie energii i czujniki chemiczne. Partnerzy pakietu roboczego wyprodukowali farby grafenowe stosowane w całkowicie drukowanych czujnikach i urządzeniach do magazynowania energii.

Nowatorskie zastosowania GRM opracowane w projekcie Graphene Flagship obejmują strategie oczyszczania wody w tym filtracji i odsalania. Ta druga metoda daje nadzieję na zrównoważoną energooszczędną i opłacalną produkcję czystej wody ze źródeł słonawych i morskich. GRM mogą być również stosowane w instalacjach katalitycznych do produkcji wodoru oraz w postaci pianek do celów oświetleniowych i jako elementy szybko nagrzewające się. Co ważne grafen umożliwia również zwiększenie zdolności tlenku tytanu do rozkładu niektórych zanieczyszczeń. Kompozyty grafenowo-cementowe z tlenkiem tytanu mogą być wykorzystywane jako powłoki fotokatalityczne w inteligentnych budynkach które mogą oczyszczać powietrze w miastach i niszczyć substancje zanieczyszczające wodę.

O wielu osiągnięciach projektu świadczy liczba wniosków patentowych, nagród i publikacji naukowych. Warto wspomnieć o 25 aktualnie realizowanych inicjatywach współpracy z partnerami przemysłowymi i dwóch powstałych spółkach spin-off, promujących metody produkcji i wyroby grafenowe na rynku.

Ponadto wyniki i materiały nanokompozytowe powstałe w tym pakiecie roboczym są przekazywane innym częściom projektu Graphene Flagship do wykorzystania w takich dziedzinach jak elektronika drukowana, czujniki czy ogniwa paliwowe i słoneczne. Pozwoli to na dalszy rozwój zastosowań grafenu, wykraczający poza obecne technologie. Komentując eksfoliację elektrochemiczną i funkcjonalizację grafenu, prof. Feng wyraża przekonanie, że „pomogą one wypełnić lukę pomiędzy nauką o materiałach a praktycznymi zastosowaniami”.