Графен: как сделать топливные элементы еще лучше

В мире науки и техники постоянно происходят открытия, которые могут изменить нашу жизнь. Одним из таких открытий является графен — уникальный материал, состоящий из одного слоя атомов углерода. Графен обладает рядом удивительных свойств, которые делают его применимым в различных областях, в том числе в энергетике. Но что такое графен и как он может помочь нам получать электричество из топлива? Давайте разберемся.

Что такое графен?

Графен — это двумерный лист углерода, толщиной всего в один атом. Атомы углерода в графене расположены в шестиугольные ячейки, образуя решетку, похожую на соты. Графен можно получить из графита — материала, из которого делают карандаши. Графит состоит из множества слоев графена, склеенных друг с другом. Если отделить один слой графена от графита, то можно получить самый тонкий и прочный материал в мире.

Какие свойства имеет графен?

Графен имеет множество удивительных свойств, которые делают его перспективным для различных приложений. Вот некоторые из них:

• Графен очень прочный: он в 200 раз прочнее стали и может выдерживать огромное давление.
• Графен очень эластичный: он может растягиваться на 20% своей длины и возвращаться в исходное состояние.
• Графен очень легкий: он весит всего 0,77 миллиграмма на квадратный метр, то есть почти ничего.
• Графен очень проводящий: он имеет высокую электропроводность и теплопроводность, а также может переносить большой ток без потерь.
• Графен очень гибкий: он может изгибаться и скручиваться в различные формы, например, в трубки или сферы.
• Графен очень прозрачный: он пропускает 97% видимого света, поэтому его можно использовать для создания прозрачных экранов или солнечных панелей.
• Графен очень пористый: он имеет много маленьких отверстий (пор), через которые могут проходить различные частицы или молекулы.

Как графен может использоваться в энергетике?

Одним из потенциальных применений графена в энергетике является создание топливных элементов. Топливные элементы — это устройства, которые превращают химическую энергию топлива в электрическую. Они работают по принципу обратимого электролиза: на аноде происходит окисление топлива (например, водорода, метанола или муравьиной кислоты), при этом выделяются электроны и протоны (положительно заряженные частицы). Электроны проходят через внешнюю цепь и создают электрический ток, а протоны проходят через мембрану к катоду, где они восстанавливают кислород из воздуха, образуя воду. Таким образом, топливные элементы могут производить электричество без выбросов углекислого газа и других вредных веществ.

Однако для эффективной работы топливных элементов необходимо решить две проблемы: как сделать мембрану, которая пропускает только протоны, а не молекулы топлива, и как защитить электроды от деградации. И здесь на помощь приходит графен.

Как графен может помочь решить эти проблемы?

Ученые из Университета Цукуба разработали специальную графеновую мембрану, которая может отсеивать молекулы топлива и пропускать только протоны. Для этого они создали пористый графен с диаметром пор 5-10 нанометров и химически модифицировали его, добавив сульфаниловые функциональные группы вокруг пор. Эти группы образуют кислые сульфо-группы, которые способствуют переносу протонов через поры. Однако они также создают физическое препятствие для больших молекул топлива, таких как метанол или муравьиная кислота, которые не могут пройти через поры. Таким образом, графеновая мембрана становится ситом для молекул топлива.

Ученые показали, что их графеновая мембрана имеет высокую протонную проводимость, сравнимую с существующими коммерческими мембранами, такими как Нафион. Однако она также значительно снижает перенос топлива и уменьшает деградацию электродов. Кроме того, ученые обнаружили, что достаточно наклеить графеновую мембрану на обычную мембрану, чтобы подавить перенос топлива. Таким образом, они предложили простой и эффективный способ улучшить работу топливных элементов.

Что это значит для нас?

Это исследование является важным шагом в развитии нового поколения топливных элементов, которые могут использовать различные виды топлива, в том числе экологичные, такие как метанол или муравьиная кислота. Такие топливные элементы могут быть использованы для питания различных устройств, от смартфонов до автомобилей. Графен, как оказалось, может не только быть материалом будущего, но и помочь сохранить настоящее.