Ngành công nghiệp

Tiềm năng của graphene cho các hệ thống năng lượng tái tạo

Tiềm năng của graphene cho các hệ thống năng lượng tái tạo

Cấu trúc của graphene [Hình ảnh:Khoa học vật lý và toán học UCL, Flickr]

Đầu năm nay, vào cuối tháng 1, Đại học Manchester và Abu Dhabi đã công bố ý định hợp tác trong một dự án sản xuất bọt có chứa graphene, một vật liệu bao gồm một lớp nguyên tử cacbon được sắp xếp trong một mạng tổ ong, bền hơn thép gấp 10 lần nhưng Nhẹ hơn 1000 lần so với một tờ giấy trên một đơn vị diện tích.

Graphene lần đầu tiên được phát hiện trong một phòng thí nghiệm tại Đại học Manchester vào năm 2004 sau nhiều năm các nhà khoa học nỗ lực tạo ra một lớp carbon đơn lẻ và nhiều lý thuyết, được quan sát qua kính hiển vi điện tử vào năm 1962. Các giáo sư Andre Geim và Konstantin Novoselov đã sử dụng một quy trình được gọi là ' kỹ thuật băng scotch 'trong đó băng scotch được sử dụng nhiều lần để bóc các lớp graphene khỏi một miếng graphite cho đến khi chỉ còn lại một lớp nguyên tử. Điều này đã mang lại cho hai nhà khoa học này giải thưởng Nobel vào năm 2010.

Trong tương lai gần, graphene có thể được sử dụng cho các thành phần điện và các mặt hàng khác như cảm biến, pin, vật liệu tổng hợp, màng trao đổi ion và các sản phẩm khác. Nhóm nghiên cứu sẽ tập trung vào ba dự án liên quan đến graphene và vật liệu hai chiều có thể được sử dụng trong một loạt các ứng dụng. Một trong những dự án sẽ phát triển kỹ thuật in phun chi phí thấp để xây dựng các cảm biến vi mô. Sau đó, chúng có thể được sử dụng trong lĩnh vực năng lượng và các ứng dụng quân sự. Một dự án khác sẽ xem xét tiềm năng sử dụng graphene trong khử mặn nước.

Giáo sư Brian Derby của Đại học Manchester, nói với The Engineer, giải thích rằng lợi ích của việc sử dụng graphene trong các điện cực pin, để dẫn chứng một ví dụ, là nó có diện tích bề mặt rất cao và chỉ dày một nguyên tử. Tuy nhiên, để vật liệu trở nên hữu ích, các lớp dày nguyên tử phải được đóng gói trong một vật thể 3D. Đây là lý do tại sao các nhà nghiên cứu sẽ cố gắng sản xuất bọt từ graphene để phát triển các cách đóng gói vật liệu để chúng có thể được lắp ráp trong không gian nhưng vẫn giữ được diện tích bề mặt của chúng nhiều nhất có thể. Nhóm nghiên cứu cũng đang hy vọng phát triển vật liệu tổng hợp trong đó các mảnh graphene được phân tán trong một ma trận polyme, do đó tạo ra một hỗn hợp mạnh mẽ nhưng vẫn có thể sử dụng được.

Nghiên cứu Graphene tại Đại học Exeter, Vương quốc Anh [Hình ảnh:Đại học Exeter, Flickr]

Làm thế nào graphene có thể mang lại lợi ích cho ngành năng lượng tái tạo?

Vào năm 2011, các kỹ sư tại Đại học Northwestern phát hiện ra rằng cực dương graphene giữ năng lượng tốt hơn than chì, do đó cho phép sạc pin tốt hơn gấp 10 lần, với các ứng dụng tiềm năng bao gồm sử dụng trong xe điện (EV). Vào năm 2013, các nhà nghiên cứu tại Đại học Rice ở Texas, đã dự đoán rằng graphene, với việc bổ sung một số nguyên tử bo, có thể được sử dụng để sản xuất cực dương linh hoạt siêu mỏng cho pin lithium ion. Bo giúp các ion lithium bám vào graphene, do đó giúp sạc nhanh, đó là lý do tại sao nghiên cứu của Đại học Rice được thực hiện cùng với Honda, một trong nhiều nhà sản xuất xe hiện đang sản xuất các mẫu xe điện mới. Các công ty khác, chẳng hạn như Kia và Hyundai đã thể hiện sự quan tâm đến vật liệu này, cả hai công ty đều nộp bằng sáng chế cho việc sử dụng graphene trong pin nhiên liệu.

Các nhà nghiên cứu của Đại học Rice cũng phát hiện ra rằng graphene trộn với vanadi oxit có thể được sử dụng để phát triển các cực âm hiệu suất cao, tiết kiệm chi phí, có thể sạc lại trong 20 giây và giữ lại hơn 90% công suất sau khi sử dụng rộng rãi. Graphene cũng có thể được sử dụng cho siêu tụ điện và các nhà nghiên cứu của UCLA đã phát hiện ra rằng nó có thể được phủ lên đĩa DVD. Sau đó, một ổ ghi DVD có thể được sử dụng để ghi hàng triệu mạch siêu tụ điện vào lớp graphene mà sau đó có thể được bóc ra và sử dụng bởi bất kỳ ai yêu cầu pin siêu cấp. Các nhà khoa học ở Thụy Điển cũng đã phát hiện ra rằng maghemite, một loại oxit sắt tương tự như quặng đỏ, có thể được thêm vào graphene khiến nó cuộn lại thành một cuộn nano. Sau đó, chúng có thể được sử dụng làm điện cực trong pin lithium ion.

Giáo sư Forsyth thuộc Trường Kỹ thuật Điện và Điện tử của Đại học Manchester tin rằng graphene có thể giúp tăng hiệu quả của EV bằng cách giảm trọng lượng của pin hiện có thể nặng khoảng 200 kg. Điều này cũng sẽ giúp mở rộng phạm vi của EV ngoài 100 km, lo lắng về phạm vi hiện đang là yếu tố chính làm chậm quá trình hấp thụ của chúng. Tuy nhiên, việc sử dụng graphene trong pin cũng có thể thúc đẩy lĩnh vực lưu trữ năng lượng, với việc chính Đại học Manchester đã thử nghiệm hệ thống chuyển đổi và pin quy mô lưới trong khuôn viên trường.

Mercedes SLS AMG E-cell tại Geneva Motor Show [Hình ảnh:Cedric Ramirez, Flickr]

Liên quan đến PV năng lượng mặt trời, graphene có thể được sử dụng để phát triển lớp phủ chống phản xạ cho pin mặt trời, các nhà nghiên cứu ở Ấn Độ đã phát hiện ra rằng vật liệu này có thể giảm độ phản xạ gần phần cực tím của quang phổ mặt trời từ 35% xuống chỉ còn 15%. Silvija Gradečak thuộc Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) cũng đã phát hiện ra rằng graphene trong tế bào PV có thể mang lại hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao hơn trong khi các nhà nghiên cứu khác tại Đại học Công nghệ Michigan đã phát hiện ra rằng graphene có thể thay thế bạch kim trong điện cực pin mặt trời mà không làm giảm hiệu suất.

XEM CŨNG: 10 loại xe điện (EV) và hybrid rất phổ biến

Một ứng dụng tiềm năng khác cho vật liệu này là thay thế Indium Tin Oxide (ITO) trong pin mặt trời. Đây là vật liệu quý hiếm và đắt tiền. Nó hiện được sử dụng cho các điện cực trong suốt nhưng nó cũng rất giòn. Các nhà khoa học của MIT đang hy vọng phát triển một loại pin mặt trời mới được làm từ graphene và molypden disulphide, tạo ra một loại pin mặt trời mỏng và nhẹ với hiệu suất cao hơn 1000 lần so với các tấm silicon thông thường.

Trong xe điện chạy bằng pin nhiên liệu (FCEV), graphene có thể giúp giảm chi phí nhiên liệu hydro tái tạo, do đó sẽ có nhiều trạm nhiên liệu hydro hơn do chi phí xử lý thấp hơn. Graphene pha tạp nitơ và tăng thêm coban đã được các nhà khoa học Đại học Rice chứng minh là chất xúc tác hiệu quả và bền để sản xuất hydro từ nước, thay thế bạch kim đắt tiền.

Cho đến nay, hai ứng dụng năng lượng tái tạo chính của graphene do đó dường như là pin mặt trời và pin cho xe điện, mặc dù thị trường tổng thể cho vật liệu này hiện có giá trị vượt quá 9 triệu đô la đối với chất bán dẫn, điện tử, pin và vật liệu tổng hợp.

Trung tâm Đổi mới Kỹ thuật Graphene (GEIC) mới được lên kế hoạch của Đại học Manchester [Hình ảnh:Đại học Manchester]

Vương quốc Anh hiện đang chạy đua với điều này, Đại học Manchester hiện đang trên đà xây dựng một trung tâm nghiên cứu graphene chuyên gia thứ hai vừa được cấp phép lập kế hoạch vào ngày 15thứ tự Tháng 2. Trung tâm Đổi mới Kỹ thuật Graphene (GEIC) sẽ tập trung vào phát triển và ứng dụng các sản phẩm graphene dẫn đầu trong ngành, hợp tác với Viện Graphene Quốc gia (NGI) và Viện Nghiên cứu Vật liệu Tiên tiến của Ngài Henry Royce để cho phép phát triển graphene từ nghiên cứu ban đầu cho đến sản phẩm cuối cùng, từ đó thiết lập Manchester trở thành trung tâm hàng đầu thế giới về nghiên cứu graphene. Trọng tâm sẽ là cải tiến các vật liệu hiện có và mở ra thị trường mới với nguồn vốn cho GEIC phần lớn được cung cấp bởi công ty năng lượng tái tạo Masdar của Abu Dhabi và Hội đồng tài trợ giáo dục đại học cho Quỹ đầu tư đối tác nghiên cứu của Anh (UKRPIF). Trung tâm sẽ được hoàn thành vào cuối năm 2017.


Xem video: Năng lượng tái tạo. Ninh Thuận bứt phá phát triển kinh tế với NLTT u0026 Du Lịch. VTV5 (Tháng Sáu 2021).