Материалы на основе графена стали перспективными кандидатами для преобразования и хранения энергии благодаря их уникальным физическим и химическим свойствам. Графен, двумерный материал, состоящий из одного слоя атомов углерода, расположенных в гексагональной решетке, обладает высокой электропроводностью, большой площадью поверхности, отличной механической прочностью и превосходной химической стабильностью. Эти характеристики делают графен и его производные идеальными материалами для широкого спектра применений в области хранения и преобразования энергии.
Материалы на основе графена исследуются в качестве электродов в устройствах накопления энергии, таких как батареи и суперконденсаторы. В батареях материалы на основе графена используются в качестве анодных и катодных материалов из-за их большой площади поверхности и высокой электропроводности. Оксид графена (GO), производное графена, использовался в качестве катодного материала в литий-ионных батареях, демонстрируя высокую удельную емкость и отличную стабильность при циклировании. Материалы на основе графена также исследовались в качестве анодов в натрий-ионных батареях, при этом графеновые нанолисты демонстрируют высокую обратимую емкость и отличную циклическую стабильность.
В дополнение к батареям материалы на основе графена также изучаются для использования в суперконденсаторах, которые представляют собой устройства, которые могут быстро накапливать и высвобождать энергию. Было показано, что материалы на основе графена обладают высокой удельной емкостью, высокой удельной мощностью и отличной циклической стабильностью, что делает их многообещающими кандидатами для использования в высокопроизводительных суперконденсаторах. Оксид графена использовался в качестве электродного материала в суперконденсаторах, демонстрируя высокую емкость и отличную скорость.
Материалы на основе графена также изучаются для использования в топливных элементах, которые преобразуют химическую энергию в электрическую. Было показано, что катализаторы на основе графена проявляют высокую каталитическую активность и стабильность в реакции восстановления кислорода (ORR), которая является ключевой реакцией в топливных элементах. Платиновые (Pt) катализаторы на графеновом носителе были разработаны для использования в топливных элементах с протонообменной мембраной (PEMFC), демонстрируя высокую ORR-активность и превосходную стабильность. Материалы на основе графена также исследовались для использования в топливных элементах с прямым метанолом (DMFC), при этом катализаторы Pt-Ru на графеновом носителе демонстрируют высокую активность и стабильность.
Еще одно многообещающее применение материалов на основе графена — солнечные батареи, преобразующие солнечный свет в электричество. Материалы на основе графена были исследованы в качестве прозрачных электродов в солнечных элементах, заменяя традиционные материалы, такие как оксид индия-олова (ITO), которые являются дорогими и хрупкими. Электроды на основе графена продемонстрировали высокую электропроводность, высокую прозрачность и превосходную гибкость, что делает их идеальными для использования в гибких и переносных солнечных элементах.
Материалы на основе графена могут совершить революцию в области преобразования и хранения энергии благодаря своим уникальным физическим и химическим свойствам. Материалы на основе графена были исследованы для использования в широком спектре приложений, включая батареи, суперконденсаторы, топливные элементы и солнечные элементы, с многообещающими результатами. Поскольку исследования материалов на основе графена продолжаются, вполне вероятно, что будут обнаружены новые применения, что еще больше укрепит роль материалов на основе графена в развитии технологий устойчивой энергетики.