Подписка
Автор: 
Николай Михайлович Максимов, e-mail: nikamax@gmail.com

Благодаря редкому сочетанию уникальных характеристик  графен может найти широкое применение во многих областях, улучшив потребительские свойства материалов. Рассмотрим эффективные решения, предлагаемые для энергетической и электронной отраслей.

 

Солнечная энергетика

К перспективным направлениям применения графена можно отнести солнечные и топливные элементы, литийионные батареи, мембраны для очистки воды и воздуха, различные датчики и др. (рис. 1). Начнем с энергетики.

 

Рис. 1. Возможные применения графена

Рис. 1. Возможные применения графена

 


Все большее число специалистов приходит к пониманию, что у традиционной энергетики на основе ископаемого топлива (нефть, газ, уголь и т. п.) нет будущего. Альтернативой является только возобновляемая, или чистая энергия: ветровая, солнечная, геотермальная, энергия морских приливов и отливов и т. д. И среди них важнейшей будет солнечная энергия в силу своей нескончаемости и того, что все остальные виды энергии являются производными солнечной.

 

По разным оценкам, доля солнечной генерации в общей генерации энергии за счет всех источников будет составлять до 20% к 2050 г. и до 60% к 2100 г. При этом солнечная энергия может преобразовываться как непосредственно в электрическую за счет солнечных элементов, так и использоваться опосредованно в приборах фотовольтаики, фотоэлектрохимии, фотокаталитической обработки воды, фотохимической очистки воды и газов. Важно уметь не только производить энергию, но и хранить ее.

 

Солнечные элементы, батареи, суперконденсаторы, водородные элементы, топливные элементы, нагревательные панели на гибкой подложке — все это области применения графена в энергетике.

 

Увеличение коэффициента теплопередачи за счет конвекции охлаждающих жидкостей, например для ветровых преобразователей энергии, является важной задачей и решается путем добавки наночастиц в теплоноситель [1]. В этой работе представлены результаты влияния на увеличение теплопередачи различных добавок в охлаждающие жидкости: наночастиц металлов и их окислов, графена и его производных. В качестве охлаждающей жидкости была выбрана смесь этиленгликоля с водой (50/50) Havoline® XLC с различными добавками, в частности, с графеном (его теплопроводность 5000 Вт/м.К). 

 

Добавки графена (0,25%; 0,5%; 0,75% и 1% по весу) при турбулентном течении жидкости улучшают теплопередачу на 13–160%. Эффект обнаружен для частиц размерами менее 10 нм, пропорционален температуре и расходу и обратно пропорционален вязкости жидкости и потере давления.
Графен благодаря большой площади поверхности, высокой электропроводности и устойчивости к воде и кислороду может стать основой для следующего поколения прозрачных электродов для приложений фотовольтаики [2]. Традиционные электроды из оксидов металлов типа оксидов индия и олова (ITO) или оксид олова и фтора (FTO) имеют ряд существенных недостатков, так, например, индий менее распространен, он хрупок при использовании гибких подложек, проявляет слабую химическую стойкость к кислотам и щелочам и обладает слабой прозрачностью в ближней инфракрасной области.

 

Графен сам не поглощает свет, но его добавка в электроды позволяет увеличить электропроводность и создает электрическое поле внутри поглотителя. К тому же он не токсичен, не относится к редкоземельным элементам и сохраняет высокие характеристики на гибких подложках (рис. 2). Так, например, солнечные элементы на основе графенового покрытия показали хорошие результаты: высокую электропроводность, прозрачность в 70% для излучения (1000–3000 нм), генерацию напряжения в 0,7 В и плотность тока 1,01 мА/см2 при кпд 0,26%. Низкий кпд объясняется некачественным покрытием из графена и малой площадью покрытия, то есть технологическими проблемами.

 

Рис. 2. Зависимость чувствительности фотопроводника R на основе PbS QD и графена на гибкой подложке (а) до и после 1000 сгибаний от напряжения V. b) Зависимость чувствительности фотопроводника R от освещенности E до и после серии тестов на изгиб.

Рис. 2. Зависимость чувствительности фотопроводника R на основе PbS QD и графена на гибкой подложке (а) до и после 1000 сгибаний от напряжения V. b) Зависимость чувствительности фотопроводника R от освещенности E до и после серии тестов на изгиб.

 

 

Спрос на солнечные панели нового поколения стремительно увеличится, если будут предложены гибкие солнечные панели с более дешевыми графеновыми электродами. Перспективные планы оснащения жителей штата Нью-Йорк пятикиловаттными солнечными панелями на основе кремниевых ячеек, которые можно размещать на крышах домов, предполагали использование около 5 млн таких дорогих панелей к 2030 году. А полная потребность в мощности от солнечных панелей, включая государственные и коммерческие структуры, составит, по оценке, 116 гВт к 2030 г. Очевидно, что использование графена в солнечных панелях не только снизит стоимость панелей, но и повысит кпд преобразования световой энергии в электричество и откроет огромнейший рынок для нового поколения солнечных панелей.

 

В настоящее время компания First Solar (USA), крупнейший поставщик солнечных панелей на основе CdTe, работает над проектом постройки в Монголии солнечной фермы мощностью 2 гВт на площади в 25 кв. миль, которая будет частью производственной структуры, генерирующей энергию из возобновляемых источников общей мощностью в 11,9 гВт. При этом на долю солнечных преобразователей придется 3,9 гВт, солнечных нагревателей 0,72 гВт и ветровых преобразователей 6,95 гВт.

 

В ряде публикаций описаны работы по использованию электродов с графеном в комбинации с различными поглотителями солнечного света. Так, в [3] авторы пытались более эффективно использовать красную область солнечного спектра, применяя специально приготовленный коллоидный материал TiO2 с пиком поглощения на длине волны 388 нм. Традиционный прозрачный электрод из TiO2 с покрытием на основе оксидов индия и олова (ITO) был заменен на графеновый прозрачный электрод, что показало почти трехкратное повышение напряжения при облучении и увеличение эффективности до 15,9%.
Ячейки на основе кремния с графеном и дополнительно с антиотражающим покрытием TiO2 являются более эффективными по сравнению со стандартными решениями на основе аморфного кремния (рис. 3).

 

Рис. 3. Зависимость плотности тока (мА/см2) от напряжения (В) для трех типов кремниевых ячеек с графеном при одинаковом облучении: G-Si — прозрачный графеновый электрод без легирования; HNO3 doping — графеновый электрод, легированный HNO3; TiO2 /HNO3 — графеновый электрод, легированный HNO3 и покрытый антиотражающим слоем TiO2, с эффективность преобразования 14,5%.

Рис. 3. Зависимость плотности тока (мА/см2) от напряжения (В) для трех типов кремниевых ячеек с графеном при одинаковом облучении: G-Si — прозрачный графеновый электрод без легирования; HNO3 doping — графеновый электрод, легированный HNO3; TiO2 /HNO3 — графеновый электрод, легированный HNO3 и покрытый антиотражающим слоем TiO2, с эффективность преобразования 14,5%.

 

 

Термопреобразователи    

 

Почти половина генерируемой энергии на планете теряется в виде ненужного тепла. Для его использования можно применять термопреобразователи (ТП), которые генерируют электричество за счет градиента температур, они же могут работать в связке с солнечными элементами-концентраторами для использования инфракрасного диапазона солнечного спектра. Термоэмиссия основана на явлении Зеебека (перераспределении зарядов за счет перепада температуры между двумя электродами разной проводимости и появлении напряжения между ними), возможен и обратный эффект — выделение тепла при подаче напряжения между такими электродами (эффект Пельтье), рис. 4. Для повышения эффективности ТП необходимо использовать материалы с высоким рассеянием энергии на фононах и с низкой теплопроводностью (стекло) и с малым рассеянием на электронах с высокой электропроводностью (кристалл). Традиционными материалами для ТП были сплавы Bi-Te, Pb-Te, Se-Te, Bi-Sb. В настоящее время найдены комбинации графена, графеновых лент, легированных изотопом C13, которые имеют меньшую теплопроводность (на два порядка) и успешно используются в качестве электродов ТП.

 

Рис. 4. Схема термопреобразователя

Рис. 4. Схема термопреобразователя

 

 

Батареи

 

До настоящего времени в популярных литий-ионных батареях в качестве анода используется графит, однако требования увеличения удельной плотности энергии и устойчивости системы привлекли внимание к графену. Это связано прежде всего с высокой стабильностью материала, его большой развитой поверхностью, более высокой электропроводностью в сравнении с графитом [4]. В дополнение к указанному графен в виде композитного анода (SnO2/графен) предотвращает разделение наночастиц, может увеличить электронную и ионную емкость, снижает количество активного вещества и улучшает механическую прочность при циклах заряда-разряда батареи. Наиболее интересным представляется использование композита на основе LiMn2O4 с графеном в качестве электрода, поскольку повышается энергоемкость батареи, улучшаются электрохимические свойства и стабильность батареи в широком диапазоне напряжений.

 

Как результат реальная емкость батареи с использованием композитов с графеном в качестве электродов почти достигает теоретического предела: 170 мА.час/г для катода LiFePO4 с графеном и 900 mAh/g для анода Mn3O4 с графеном. Перспективные композиты на основе V2O5 с графеном сохраняют высокую устойчивую емкость после серии циклов разряд–заряд (230 мА.час/г после 200 циклов и 203 мА.час/г после 2000 циклов) [5].

 

 

Суперконденсаторы (SC), или Ультраконденсаторы

 

SC рассматриваются как один из самых многообещающих электрохимических устройств для хранения энергии благодаря высокой скорости цикла разряд/заряд, длительному времени жизни и высокой плотности энергии [6]. Различают два типа SC: электрические двухслойные SC (EDLCs) и псевдоконденсаторы (используют реакции Фарадея в электродах — окислительно-восстановительные реакции), процессы интеркалирования и электросорбции. Производительность SC в значительной мере определяется емкостью электродов, способных запасать и отдавать энергию, а сама емкость — материалом электродов и их размерами, а также используемым электролитом. От концентрации ионов в электролите и потенциала зависит плотность энергии, а от электропроводности электролита — удельная мощность. Обычно рассматривают три типа электролитов: на водной основе (Na2SO4, KOH, H2SO4, KCl), органические (TEABF4) и жидкие ионные (bmimPF6). В первые два типа часто добавляют соли для увеличения концентрации ионов, а также для предотвращения замерзания или испарения электролита, при этом соль не выпадает в осадок. В ионные жидкости в качестве электролита добавляют растворитель для уменьшения вязкости и повышения электропроводности (например, 25% ацетонитрила). Электролиты на основе ионных жидкостей обладают высокой температурной стабильностью, хорошей электропроводностью, высоким электрическим потенциалом и устойчивостью к циклической работе. Кроме того, они препятствуют образованию конгломератов из листов графена.

 

Рис. 5. Схема работы суперконденсатора

Рис. 5. Схема работы суперконденсатора

 

 

Типичный SC представляет собой систему из двух электродов, разделенных пористой перегородкой в среде электролита (рис. 5). При приложении внешнего напряжения к электродам происходит перераспределение зарядов и создается внутреннее электрическое поле, то есть происходит сохранение энергии. Количество запасенной энергии определяется как

E = 1/2 CV2,

где С — емкость, которая определяется как C = a0 ar A/D, A — площадь электрода, D — расстояние между электродами, a0 ar — диэлектрические константы без изолирующей среды и для среды между электродами.

 

 

Очевидно, что для увеличения запасенной энергии необходимо увеличивать площадь электрода и уменьшать расстояние между электродами. Графен в виде добавки в пористый композитный материал (размер пор <0,7 нм) идеально подходит для этой цели, поскольку имеет самую большую удельную поверхность и улучшает электропроводность материала электрода. При этом пористость является определяющим фактором в увеличении емкости SC. Для сохранения большой удельной поверхности необходимо предотвращать объединение в одно целое отдельных слоев графена, для этого используют графеновые нанотрубки (GNT) (рис. 6). Комбинация в электроде листов графена и графеновых нанотрубок приводит к появлению электроактивации — явлению, при котором листы графена имеют лучшие условия для размещения ионов электролита.

 

Рис. 6. Слои графена, которые агрегируются за счет сил Ван-дер-Ваальса (а); графеновые нанотрубки между слоями графена являются разделителями и связывают слои графена между собой (b).

Рис. 6. Слои графена, которые агрегируются за счет сил Ван-дер-Ваальса (а); графеновые нанотрубки между слоями графена являются разделителями и связывают слои графена между собой (b).
 

 


В работе [7] предложен способ приготовления водной дисперсии гидрофобного активированного графена (a-rGO) (графен+углеродные нанотрубки в качестве связующего) с концентрацией до 20 мг/мл. Процедура состоит из трех этапов:


1. Углеродные гидрофобные нанотрубки (СNT) вместе с гидрофильным оксидом графена смешивают в воде.
2. Для стабилизации смеси и получения нужного реологического состава добавляют мелкодисперсный кремнезем и перемешивают.
3. В полученную дисперсию добавляют нужное количество оксида графена или активированного оксида графена и еще раз перемешивают.

 

Таким образом, водную дисперсию a-rGO можно использовать как прекурсор в широком диапазоне концентраций, плотности, вязкости, адгезии, электропроводности и стабильности на гибких подложках, в частности, для получения электрода в виде гибкого тонкого слоя графена с удельной поверхностью 1700 м2/г. Суперконденсатор с таким электродом показывает более высокие характеристики в сравнении с вариантом на основе восстановленного оксида графена (rGO): удельная емкость 180 Ф/г при удельном токе 1 А/г; плотность энергии 35,6 Вт.ч/кг и удельная мощность 42,2 кВт/кг. При этом дисперсия a-rGO совместима с любыми способами нанесения покрытий на электрод: распылением, с помощью кисти или шпателя. Обычно рассматривают плотность энергии как запасенную энергию на единицу объема или на единицу веса.

 

Интересный способ увеличения поверхности электрода без объединения листов графена показан в работе [8]. Графен получают термическим способом с последующим охлаждением в жидком азоте, что приводит к появлению гофрированных листов графена с большой удельной поверхностью (до 518 м2/г) и удельной емкостью в 349 Ф/г, данные получены для SC с электролитом KOH. Метод простой, эффективный и легко масштабируется на большие объемы.

 

Дополнительное увеличение емкости SC можно получить за счет легирования графена азотом в виде гидрогелевого электролита (NGH) при сохранении высокой скорости заряда–разряда (185 А/г).
В качестве полимерной основы графен-композитного электрода лучшие результаты по увеличению емкости дает полианилин (polyaniline, PANI). При добавлении аминовых групп (NH2) к такому композиту примерно на 20% увеличивается емкость и стабильность характеристик при циклических процессах заряда–разряда SC.

 

SC типа EDLC имеют хорошую электрохимическую циклическую стабильность, но при этом низкую емкость, в отличие от псевдоконденсаторов, имеющих высокую емкость при низкой циклической стабильности. Объединение двух типов SC в одном изделии позволит создать прибор для накопления большой удельной энергии с высокой циклической стабильностью, позволяющий быстро аккумулировать и так же быстро отдавать большой объем энергии.

 

Комбинация графена и оксидов металлов (Mn, Co, Ni, Ti, Ru) в качестве электродов для SC позволяет использовать преимущества двух типов SC — EDLC и псевдоконденсаторов. Для RuO2 — лучшего из перечисленных металлов для использования в электродах SC — были получены значения удельной емкости в 154 Ф/г и плотности энергии в 11 Вт/кг. Проблема может быть в высокой стоимости RuO2 и его токсичности. Замена его на более дешевый и нетоксичный Mn3O4 позволила получить высокую емкость при 100% сохранности после 10000 циклов, что в 3–4 раза выше, чем для электродов с чистой Mn3O4. Это связано прежде всего с более высокой электропроводностью электрода за счет графена. Высокая дисперсность увеличивает доступность электролита, а оксид металла предотвращает агрегирование отдельных слоев графена. Еще больший эффект дает применение оксида MnO2 в сочетании с графеном: 310 Ф/г при 2 мВ/с, что примерно в 3 раза выше, чем при использовании каждого из компонентов по отдельности [9].

 

 

Серия исследований по использованию ферритов в качестве электродов показывает их перспективность для миниатюрных источников энергии: антенн, сердечников трансформаторов, записывающих головок и т. д. Это связано с невысокой стоимостью нанесения ферритовых пленок-электродов разной толщины на подложки сложной формы без вакуумирования.

 

Для EDLC-устройств необходимо иметь материалы с высокой удельной поверхностью, развитой пористостью и высокой электропроводностью. Так, теоретическая удельная емкость графена может достигать 550 Ф/г, в реальности она составляет от 100 до 333 Ф/г при высокой стабильности после 1000 циклов разряд/заряд и при плотности энергии 85,6 Вт.час/кг при комнатной температуре, 136 Вт.ч/кг при 80°С и удельной мощности ~600 Вт/кг при токе 1A/г. При этом, в отличие от батарей, время заряда/разряда конденсатора составляет секунды или минуты. При удельной пористости графеновых электродов (в виде нанотрубок) в 3100 м2/г плотность энергии может составить 75 кВт/кг.

 

 

Графеновые прозрачные электроды успешно используются в диодах в качестве источников света (LED — light emitting diodes) вместо традиционных ITO (индий-олово-оксиды) или GaN. Новые LED источники света находят широкое применение в автомобилях и светофорах, в качестве подсветки в LCD-телевизорах, в плоских гибких дисплеях [10].

 

 

В том же обзоре рассмотрена возможность замены золотых электродов в транзисторах типа OFET (organic field-effect transistor) на графеновые, в результате недорогие транзисторы можно будет применять в гибких электронных устройствах, включая и прозрачные для света.

 

Интересная тема — использование графена в виде конструкций из нескольких слоев для хранения водорода. Это связано с наибольшей удельной поверхностью графена среди любых известных подложек. Химическая связь водорода с углеродом графена позволяет устойчиво сохранять водород в количестве до 5% (по весу) и освобождать его начиная от нагрева до 200°С и полностью отдавать водород при 500°С. Такой тип накопителей водорода — топливные элементы — имеет огромный рынок применения. В частности, полученную энергию можно сохранять в графеновых водородных накопителях, получая водород за счет расщепления воды, и предлагать его как товар на рынке, например, водород можно преобразовывать в электричество за счет химических реакций окисления. Такой вид хранения водорода более безопасен, чем традиционные способы его хранения в сжатом виде при высоком давлении или в криогенном жидком состоянии в баллонах [11].

 

 

Электроника

 

В электронике графен рассматривают как возможную замену кремния. Наиболее вероятно применение графена в транзисторах в качестве электродов вместо существующих металлических, поскольку толщина контактного слоя в графене всего 0,34 нм (22 нм для металла). Поэтому для кремниевых транзисторов с графеном возможна более высокая плотность упаковки и как результат дальнейшая миниатюризация.

 

Одна из проблем использования графена для логических приложений on/off — невозможность обеспечения состояния off из-за высокой проводимости графена. Ее можно преодолеть, используя графен в виде нанотрубок (CNT), а также в виде узкой ленты с дополнительным легированием.
Графен может использоваться в качестве проводника внутри чипа (interconnector) вместо традиционных слоев металлизации на основе меди, поскольку только графен может обеспечить плотность тока для таких проводников на уровне 4х107, что для меди недоступно [12].

 

Еще одна возможность использования графена — в ячейках флеш-памяти для хранения информации, тем самым можно заменить существующую память на основе кремния.

 

Датчики/сенсоры

 

Необходимость оперативного определения токсичных газов, паров органических материалов важна для окружающей среды, для контроля над выбросами в промышленности и для диагностики в медицине. Существующие детекторы на основе оксидов металлов, нанотрубок, проводящих полимеров потребляют много энергии из-за необходимости иметь высокие рабочие температуры (>100°C), зависят от условий окружающей среды (например, влажности) и теряют чувствительность со временем. Поэтому нужны новые сенсорные материалы, работающие при комнатной температуре в стандартных условиях и имеющие высокую избирательность и чувствительность [13].

 

Качество сенсоров определяется набором критериев: откликом, границами рабочей зоны, рабочей температурой, временем регистрирования и восстановления, избирательностью к определенному газу и стабильностью.
Принцип действия сенсоров на основе графена и его производных (GO, rGO) основан на изменении электрического сопротивления покрытия при поглощении газа или биомолекул его поверхностью. Это связано с обменом носителей заряда между чувствительным материалом и поглощенными молекулами газа, которые выступают как доноры электронов или их акцепторы. Из-за большой поверхности покрытия чувствительность таких датчиков к различным газам очень высока и зависит от типа газа [14]. Особенно важно иметь такие датчики (GO) для эффективной регистрации окислов азота. Мировая потребность в таких датчиках составляет 177 млн шт. в год.

 

Оптические сенсоры основаны на изменении оптических характеристик (поглощения, свечения, отражения и т. д.) и связанных с ними электрических параметров чувствительных материалов (оксида графена rGO, легированного наночастицами золота).
Высокочувствительные сенсоры на основе графеновых тонких пленок на кварцевой пластине используют для определения таких газов, как бутанол, изопропанол, ацетон, этанол при комнатной температуре. При поглощении газа происходит изменение резонансной частоты колебаний кварца, по которому определяют наличие газа в пробе. Датчики отличаются хорошей воспроизводимостью и коротким временем определения и восстановления (не более 100 с).

 

Сенсоры на основе оксидов графена (GO, rGO) используются более часто, чем сам графен. В частности, листы GO используют для быстрого определения изменения относительной влажности при комнатной температуре (до 30 мсек). Их можно печатать на RFID-метках для удаленного считывания без применения батареи питания.

 

Сенсоры с использованием rGO могут наноситься на гибкие подложки с помощью 3D-печати, например, широко используются для приборов по определению NО2 с чувствительностью от 400 ppt.
Для регистрации VOC (летучих органических материалов) было предложено использовать сенсоры с реакцией на изменение отражающей способности поверхности с гидрофильной GO и поверхности с гидрофобной rGO (рис. 7).

 

 

Рис. 7. Устройство сенсора: а) оптоволокно с покрытием GO и rGO; б) создание зон с покрытиями GO и rGO под действием солнечного света; с) зависимость избирательности датчика для THF (тетрагидрофуран), дихлорметана, этанола

Рис. 7. Устройство сенсора: а) оптоволокно с покрытием GO и rGO; б) создание зон с покрытиями GO и rGO под действием солнечного света; с) зависимость избирательности датчика для THF (тетрагидрофуран), дихлорметана, этанола

 

 

В работе [13] представлены решения для регистрации различных газов с использованием GO/rGO в качестве чувствительных материалов при изготовлении сенсоров для работы при комнатной температуре. Рассмотрено влияние легирующих добавок в виде наночастиц Au, Pd, Ag.

 

Резистивный сенсор для определения газов (в частности, NO2 и NH3) получен путем нанесения монослоя из графена или rGO на MoS2 между металлическими электродами с проводимостью p-типа. Сверхчувствительный сенсор NO2 на основе гетерогенной структуры rGO/MoS2 (рис. 8) работает при 60°C и не зависит от влажности среды. Наилучшие результаты получены при соотношении C:Mo = 3:1 [15].

 

 

Рис. 8. Изображение гетерогенной структуры графен-MoS2 на гибкой подложке (слева) и зависимость чувствительности сенсора для NO2  (5 ppm) и NH3 (100 ppm) до и после 5000 изгибаний

Рис. 8. Изображение гетерогенной структуры графен-MoS2 на гибкой подложке (слева) и зависимость чувствительности сенсора для NO2 (5 ppm) и NH3 (100 ppm) до и после 5000 изгибаний
 

 

Аналогичные результаты были получены для сенсоров газов (например, NO2) на основе гетерогенных структур rGO и однослойного или многослойного слоя полупроводника WS2.

 

Легирование наночастицами TiO2 нанолистов WS2 также дает хорошие результаты для детектирования газов: O2, этанола, NH3, но при рабочих температурах выше 100°C, при увеличенном времени восстановления рабочего режима после измерения.
Таким образом, существует целый ряд материалов (GO-, rGO-, MoS2-, W S2-, черный фосфор BP-), с использованием которых можно создавать сенсоры для различных газов и паров летучих органических материалов с чувствительностью в области ppm, ppb, ppt. Некоторые из них работают при комнатной температуре, другие требуют нагрева выше 100°C и специальных условий для уменьшения времени восстановления, как, например, применение УФ-облучения или нагрева сенсора для десорбции молекул газа с поверхности сенсора. Другой важной проблемой сенсоров является их избирательность по отношению к различным газам, которая частично решается с помощью легирования, например, Pt и Pd чувствительны к молекулам водорода. Влияние влажности среды можно уменьшить за счет использования фильтров для улавливания воды. Деградация сенсоров со временем за счет окисления в окружающей среде — это еще одна проблема, решить ее можно с помощью покрытий из оксидов металла и полимерных покрытий. Технология нанесения чувствительных пленок в вакууме, очистка от загрязнений при отжиге позволяют создавать чувствительные, избирательные и стабильные сенсоры газов.

 

Графен в качестве биосенсора может быть использован в пищевой промышленности для контроля безопасности продуктов, а также в медицине для клинической диагностики.
Так, электрохимические биосенсоры на основе наноматериалов с электродами из композиционных материалов с графеном/оксидом графена (GO) /восстановленным оксидом графена (rGO) могут применяться в качестве биодатчиков на основе энзимов, геносенсоров, иммуносенсоров (рис. 9), [16]. Графен в качестве электрода в иммуносенсоре применяется для регистрации острой почечной недостаточности совместно с другими способами диагностики [17], при этом способ работает более эффективно, быстрее и дешевле традиционных методов.

 

Рис. 9. Пример обмена зарядами для биосенсоров с электродами на основе графена (более чувствительный вариант) или углеродных нанотрубок и энзима глюкозы для определения уровня глюкозы

Рис. 9. Пример обмена зарядами для биосенсоров с электродами на основе графена (более чувствительный вариант) или углеродных нанотрубок и энзима глюкозы для определения уровня глюкозы
 

 

Биосенсоры с графеновыми электродами используют электрохимический подход, в основе которого лежит избирательное взаимодействие электрода с биомолекулами, в результате чего изменяется электропроводность электрода, и соответствующее изменение напряжения фиксируется прибором. В отличие от химических методов определения биомолекул, биосенсоры работают быстро и в соответствии с «зеленой» технологией, т. е. без загрязнений.
Огромная удельная поверхность графена с двухсторонней активностью обеспечивает предельную загрузку образцами биоматериалов для лазерного спектрометра по определению и анализу ДНК.
Высокие оптические характеристики графена можно использовать при включении его как сенсора в оптоволоконных рефракционных системах, датчиках давления [18], акустических сенсорах [19], датчиках тока [20].

 

 

Сенсорные экраны

 

Сенсорные экраны нашли широкое применение в мобильных устройствах (телефоны, планшеты, кассовые аппараты в магазинах и т. д.), обзор приведен в работе [10]. В основном эти приборы используют в качестве сенсора оксиды индия и олова (ITO). Графен с успехом может заменить дорогостоящий материал на основе индия из-за уникальной гибкости и дешевизны. Так, четырехслойное графеновое покрытие на PET-подложке (толщиной 188 мкм) обеспечивает 90% передачу оптического сигнала с минимальным сопротивлением и устойчивостью работы электрода для экрана с диагональю в 760 мм и при снижении напряжения до 6% от номинала [21].

 

ПОКРЫТИЯ

 

Добавка графена в покрытия (краски, лаки) значительно улучшает такие их свойства: стойкость к УФ-излучению, антикоррозионная устойчивость, стойкость к истиранию, более высокая и длительная устойчивость, защита от проникновения воды, солей, масел и вредных веществ, антиграффити, антибактериальные свойства. Графеновые краски также применимы в качестве эффективных антистатических, защитных и нагревательных покрытий.
Большинство улучшений свойств покрытий объясняют гидрофобностью, или низкой смачиваемостью, которую графен придает покрытиям из-за высокого угла смачивания для воды. Однако, по мнению ряда авторов [22, 23], сам графен имеет краевой угол смачивания в диапазоне 60–80 градусов. То есть можно говорить скорее о гидрофильности графена, чем о гидрофобности. Вместе с тем взаимодействие графена с материалом подложки, на которую графен нанесен, и создает усиливающий эффект гидрофобности. Еще больший защитный результат дает совместное использование графена, оксида графена и восстановленного оксида графена.

 

В третьей части статьи будут рассмотрены применения графена и его производных для очистки воды, медицины, строительства, 3D-печати и др.
 

 

Литература

  1. Experimental Convection Heat Transfer Analysis of a Nano-Enhanced Industrial Coolant E. Álvarez-Regueiro, J. Vallejo, J. Fernández-Seara, J. Fernández, L. Lugo, Nanomaterials 2019, 9, 267. http://www.mdpi.com/journal/nanomaterials
  2.   P. Dong, et al., Graphene on metal grids as the transparent conductive material for dye sensitized solar cell, J. Phys. Chem. C 118 (2014) 25863–25868.
  3.   Wang X, Zhi L, Mullen K (2008) Nano Lett 8:323
  4.  M.D. Bhatt, C. O'Dwyer, Recent progress in theoretical and computational in- vestigations of Li-ion battery materials and electrolytes, Phys. Chem. Chem. Phys. 17 (2015) 4799–4844.
  5.   J. Liu, et al., Three-dimensional Graphene-based nanocomposites for high energy density Li-ion batteries, J. Mater. (2017), http://dx.doi.org/10.1039/C7TA00448F.
 6.   G. Wu, et al., High-performance supercapacitors based on electrochemical-induced vertical-aligned carbon nanotubes and polyaniline nanocomposite electrodes, Sci. Rep. 7 (2017) 43676.
 7.   Aqueous Activated Graphene Dispersions for Deposition of High- Surface Area Supercapacitor Electrodes Vasyl Skrypnychuk, Nicolas Boulanger, Andreas Nordenström, and Alexandr Talyzin* J. Phys. Chem. Lett. 2020, 11, 3032–3038
 8.   J. Yan, J. Liu, Z. Fan, T. Wei and L. Zhang, High- performance supercapacitor electrodes based on highly corrugated graphene sheets, Carbon, 2012, 50, 2179–2188.
9.    J. Yan, Z. Fan, T. Wei, W. Qian, M. Zhang and F. Wei, Fast and reversible surface redox reaction of graphene–MnO2 composites as supercapacitor electrodes, Carbon, 2010, 48, 3825–3833.
 10.   Jo G, Choe M, Lee S, Park W, Kahng Y-H, Lee T (2012) Nanotechnology 23:112001
11.    Subrahmanyam K, Kumar P, Maitra U, Govidaraj A, Hembram K, Waghmare U, Rao C (2011) Proc Natl Acad Sci 108:2674
 12.   Lee K-J, Chandrakasan A, Kong J (2011) IEEE Electron Device Lett 32:557
13. 2D Materials for Gas Sensing Applications: A Review on Graphene Oxide, MoS2 WS2, M. Donarelli, L. Ottaviano, Sensors 2018, 18 (11), 3638. https://doi.org/10.3390/s18113638.
14.    F. Schedin, et al., Detection of individual gas molecules adsorbed on Graphene, Nat. Mater. 6 (2007) 652–655.
15.  Zhou, Y.; Liu, G.; Zhu, X.; Guo, Y. Ultrasensitive NO2 gas sensing based on rGO/MoS2 nanocomposite film at low temperature. Sens. Actuators B- Chem. 2017, 251, 280–290.
16. Y. Song, et al., Recent advances in electrochemical biosensors based on Graphene two-dimensional nanomaterials, Biosens. Bioelectron. 76 (2016) 195–212.
17. J. Yukird, et al., Label-free immunosensor based on Graphene/polyaniline nano-composite for neutrophil gelatinase-associated lipocalin detection. Biosens. Bioelectron. 87 (2017) 249–255.
18. J. Ma, W. Jin, H. L. Ho, J. Y. Dai, High-sensitivity fiber-tip pressure sensor with Graphene diaphragm, Opt. Lett. 37 (2012) 2493–2495.
19. Y. Tan, et al., Optical fiber photoacoustic gas sensor with Graphene nano-me-chanical resonator as the acoustic detector, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron, (2016).
20. S.C. Yan, B. C. Zheng, J. H. Chen, F. Xu, Y. Q. Lu, Optical electrical current sensor utilizing a Graphene-microfiber-integrated coil resonator, Appl. Phys. Lett. 107 (2015) 053502–053504.
21. Bae S, Kim Y, Lee Y, Xu X, Park J-S, Zheng Y, Balakrishnan J, Lei T, Kim H, Song Y, Kim Y-LJ, Kim K, Ozyllmaz B, Ahn J-H, Hong B, Iijima S (2010) Nat Nanotechnol 5:574 Bai J, Zong X, Jiang S, Huang Y, Duan X (2010) Nat Nanotechnol 5:190
22. On the mechanism of hydrophilicity of graphene Guo Hong, Yang Han, Thomas M. Schutzius, Yuming Wang, Ying Pan, Ming Hu, Jiansheng  Ji, Chander S. Sharma, Ulrich Müller, Dimos Poulikakos.  https://arxiv.org/pdf/1608.06628.pdf     
23. Supplementary Materials: Nanoscale Correlations of Ice Adhesion Strength and Water Contact Angle, Sigrid Rønneberg, Senbo Xiao, Jianying He, Zhiliang Zhang, Coatings 2020, 10, 379; doi:10.3390/coatings10040379 
 

 

Источник журнал "РИТМ машиностроения" № 6-2020

 

 

 

Внимание!
Принимаем к размещению новости, статьи
или пресс-релизы с ссылками и изображениями.
ritm@gardesmash.com

 

Реклама наших партнеров