rancesco Bonaccorso. Kredit:A. Abrusci, Istituto Italiano di Tecnologia@IIT
Grafen har många potentiella tillämpningar, bland dem energiproduktion, konvertering och lagring. Grafen – ett enda lager av kolatomer – och relaterade tvådimensionella kristaller kombinerar hög elektrisk ledningsförmåga med fysisk flexibilitet och ett enormt förhållande mellan yta och vikt. Sådana egenskaper gör dem lämpliga för att lagra elektrisk laddning i batterier och superkondensatorer, och som katalysatorer i sol- och bränslecellselektroder.
Ett antal energiapplikationer för 2D-kristaller är under utveckling över hela världen, och Europas flaggskepp grafen har investerat betydande resurser på detta område. Nu, i en artikel för tidskriften Vetenskap , flaggskeppsforskare – tillsammans med kollegor i USA och Korea – ger en omfattande genomgång av potentialen för grafen och relaterade material i energisektorn. Författarna hoppas att deras granskning kommer att hjälpa forskare inom industri och akademi att identifiera de bästa vägarna mot framgångsrika tillämpningar som gynnar samhället som helhet.
Forskarna – ledda av fysikern Francesco Bonaccorso, som är baserad på Graphene Labs vid det italienska tekniska institutet i Genova, och är en Royal Society Newton Fellow vid Cambridge Graphene Center – notera de betydande framsteg som gjorts i materialberedning på laboratorienivå. De lyfter också fram utmaningen att producera materialen i industriell skala på ett kostnadseffektivt sätt.
grafen, den mest kända av de hundratals tvådimensionella kristaller som hittills undersökts, har ett mycket högt förhållande mellan yta och massa. Med cirka 2, 600 kvadratmeter för varje gram, grafen är helt på ytan och ingen bulk, och det är denna 2D-natur som ger grafen dess unika elektriska, termiska och mekaniska egenskaper.
I recensionsartikeln, forskarna undersöker de framsteg som gjorts hittills – och ser framåt mot den framtida potentialen för 2D-kristaller i:
Forskarna drar slutsatsen att grafen och relaterade tvådimensionella kristaller kan spela en stor roll i framtida energiomvandlings- och lagringsteknologier. Detta är ett aktivt område för forskning och utveckling för Graphene flaggskeppspartners, både akademiskt och industriellt.
"Det enorma intresset för tvådimensionella kristaller för energitillämpningar kommer både från deras fysikalisk-kemiska egenskaper, och möjligheten att producera och bearbeta dem i stora mängder, på ett kostnadseffektivt sätt, säger Bonaccorso.
"I detta sammanhang, utvecklingen av funktionella bläck baserade på tvådimensionella kristaller är inkörsporten för realiseringen av den nya generationens elektroder i energilagrings- och omvandlingsanordningar." Bonaccorso tillägger att utmaningen framöver är att demonstrera en störande teknik där tvådimensionella material inte bara ersätter traditionella elektroder, men ännu viktigare möjliggör designen av helt nya enhetskoncept.
Recensionens medförfattare Andrea Ferrari, som är ordförande för grafenflaggskeppets styrelse, och är chef för Cambridge Graphene Centre, erbjuder en nyktert optimistisk syn på potentialen för grafen inom detta område:"Grafen och relaterade material har mycket lovande inom dessa områden, och flaggskeppet Graphene har identifierat energitillämpningar som ett nyckelområde för investeringar.
"Vi hoppas att vår kritiska översikt kommer att vägleda forskare inom akademi och industri att identifiera optimala vägar mot tillämpningar och implementering, med eventuella fördelar för samhället som helhet."
