Исследование и производство графена
 
Институт Графена

Графен

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ГРАФЕНА

Графен как революция в создании принципиально новых материалов

Графен – материал из серии «удивительное – рядом». Он является двумерной модификацией углерода, одного из самых распространенных элементов во Вселенной, а точнее – одной из его углеродных структур. Весь секрет в форме воплощения: графен — это монослой атомов углерода, соединенных в двумерную кристаллическую решетку. Толщина слоя такой «пленки» составляет ровно один атом (минимально возможный атомный размер). За прошедшее десятилетие у графена открыли множество свойств, нехарактерных для физики твердых тел: в англоязычной литературе его называют «чудесным» материалом (wonder material).

Так чем же интересен этот сравнительно новый материал?

Одна из главных привлекательностей графена заключается в том, что его добавление практически в любой материал порой придает последнему совершенно фантастические свойства, которыми не наградила его природа, в том числе по прочности, долговечности и устойчивости к внешним воздействиям. Графен, в качестве упрочняющей добавки всего в единицы процентов, способен радикально изменить ключевые свойства всех известных базовых материалов (металлы, цемент, керамика, полимеры, краски, покрытия, стекло и пр.)

Графен является самым прочным материалом на Земле. В 300 раз прочнее стали. Лист графена площадью в один квадратный метр и толщиной всего лишь в один атом способен удерживать предмет массой 4 килограмма. Графен, как салфетку, можно сгибать, сворачивать, растягивать. Бумажная салфетка рвется в руках. С графеном такого не случится.

Благодаря двумерной структуре графен является очень гибким материалом, что позволяет использовать его, например, для плетения нитей и других верёвочных структур. При этом тоненькая графеновая «верёвка» по прочности будет аналогична толстому и тяжёлому стальному канату.

Графен обладает высокой электропроводностью. Он практически не имеет сопротивления. Скорость электронов в графене составляет 10 000 км/с, хотя в обычном проводнике скорость электронов порядка 100 м/с. При этом графен почти прозрачен (хотя обычно это свойство исключает хорошую проводимость) и легко растягивается на 20%. При добавлении графена, например, в металлический провод, электрическое сопротивление последнего заметно снижается.

Но главное «чудо» заключается в том, что при абсолютной тонкости он стабилен, атомарные связи не распадаются, как, по идее, должно быть у двумерных материалов. Выяснилось, что атомы удерживаются вместе благодаря особым вибрациям.

Уже сегодня графен все активнее используется в энергетике. Он улучшает свойства литий-ионных аккумуляторов: батарея становится более емкой, а время зарядки сокращается.  

Графен обладает высокой электроемкостью. Удельная энергоемкость графена приближается к 65 кВт*ч/кг. Данный показатель в 47 раз превышает тот, который имеют столь распространенные ныне литий-ионные аккумуляторы.

В настоящее время работа над графен-полимерным аккумулятором ведется исследователями многих стран. Значительных успехов достигли в этом вопросе испанские ученые. Аккумулятор, созданный ими, имеет энергоемкость, в сотни раз превышающую подобный показатель у уже существующих батарей. Используют его для оснащения электромобилей. Машина, в которой установлен графеновый аккумулятор, может проехать без остановки тысячи километров. На подзарядку электромобиля при полной разрядке аккумулятора понадобится не более 8 минут. 

Немецкие инженеры Технологического Института Карлсруэ и эстонская компания Sketenton Tech создали батареи-аккумуляторы на основе графена, которые могут заряжаться за 15 секунд.

Ожидается, что самым быстрорастущим будет сегмент применения графена в накопителях энергии: прогноз среднегодового роста – 90%. Графеновые электроды широко используются в таких накопителях энергии, как электромагнитные суперконденсаторы и аккумуляторы (Li-ion, Li-air, свинцово-кислотные и топливные элементы), благодаря высокой плотности энергии и быстрому заряду.

Графен даст новый толчок развития альтернативной энергетике. Солнечные батареи с графеном производят энергию при минимальном освещении, даже в пасмурную погоду и во время дождя.

Весьма перспективно использование графена в водородной энергетике.

Вот только некоторые из направлений его возможного применения:

  • накопление и хранение водорода в графеновых материалах (возможность создания на их основе систем обратимого хранения водорода, сочетающих высокую емкость, стабильность и возможность быстрого выделения водорода в условиях, приемлемых для практического использования);
  • использование химических и термостойких мембранных материалов на основе графена, которые позволяют создавать новые газоразделительные мембраны, обеспечивающие высокую проницаемость и селективность и перспективные для очистки водорода в процессе его получения из природного газа;
  • значительное улучшение характеристик полимерных мембран, которые в настоящее время по большей части используются в промышленности, с помощью небольших добавок графеновых материалов;
  • использование графеноподобных материалов в качестве носителя наночастиц или в качестве функциональных добавок в составе электрокаталитического слоя топливных элементов с полимерно-электролитной мембраной, что позволяет улучшить их характеристики, а также повысить активность и стабильность электрокатализатора в реакции выделения кислорода;
  • создание электродов на основе графена, покрытого каталитическими наночастицами (высокая коррозионная стойкость, большая площадь поверхности и высокая проводимость).

Графеновые материалы обладают такими преимуществами, как высокая электрокаталитическая активность, высокая проводимость, отличные механические свойства – прочность, высокая гибкость, большая удельная поверхность и малый вес, что дает возможность хранить электрический заряд, ионы или водород.

Графен с покрытием из оксида металла является эффективным катализатором для водородных топливных элементов следующего поколения.

Графеновые материалы могут заменить дорогостоящие платиновые катализаторы. Графеновые нанокомпозиты могут служить эффективными компонентами термоменеджмента, обеспечивая эффективную термостабилизацию и отвод тепла от водородных топливных ячеек.

Графен обладает высокой теплопроводностью, которая в 10 раз превышает теплопроводность меди. Он превосходит вольфрам по температуре кипения (3700°С).

Для графена характерна практически полная оптическая прозрачность. Он поглощает всего 2,3% света. Для сравнения – обычное стекло поглощает около 10% света. По этой причине в нем заинтересованы производители дисплеев и солнечных батарей, которым важно получить проводящий слой максимальной прозрачности.

Графеновая плёнка пропускает молекулы воды и при этом задерживает все остальные, что позволяет использовать ее как фильтр для воды.

Графен – самый легкий материал, приблизительно в 100 раз легче обычной воды. Он инертен к окружающей среде; многослойный графен может впитывать радиоактивные отходы.

Благодаря броуновскому движению (тепловым колебаниям) атомов углерода в листе графена, он способен «производить» электрическую энергию.

Графен является основой для сборки различных не только самостоятельных двумерных материалов, но и многослойных двумерных гетероструктур.

При протекании соленой воды по листу графена, последний способен генерировать электрическую энергию за счет преобразования кинетической энергии движения потока соленой воды в электрическую (т.н. электрокинетический эффект).

Все вышеперечисленные свойства графена доли толчок к широким исследованиям возможности его использования в различных областях знаний.

Поскольку, графен, по существу, позволяет получать принципиально новые материалы, то вполне возможно, что мы стоим на пороге создания новой таблицы Менделеева. На ее создание, конечно, уйдут годы и десятилетия, но ее появление неизбежно!