อุตสาหกรรม

ศักยภาพของกราฟีนสำหรับระบบพลังงานหมุนเวียน

ศักยภาพของกราฟีนสำหรับระบบพลังงานหมุนเวียน

โครงสร้างของกราฟีน [ภาพ:UCL คณิตศาสตร์และวิทยาศาสตร์กายภาพ Flickr]

เมื่อต้นปีที่ผ่านมาในช่วงปลายเดือนมกราคมมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์และอาบูดาบีได้ประกาศความตั้งใจที่จะร่วมมือกันในโครงการผลิตโฟมที่มีกราฟีนซึ่งเป็นวัสดุที่ประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอนชั้นเดียวซึ่งจัดเรียงในตาข่ายรังผึ้งซึ่งมีความแข็งแรงมากกว่าเหล็กถึง 10 เท่า แต่ เบากว่ากระดาษ 1,000 เท่าต่อหน่วยพื้นที่

กราฟีนถูกค้นพบครั้งแรกในห้องแล็บที่มหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ในปี 2547 หลังจากหลายปีของความพยายามของนักวิทยาศาสตร์ในการผลิตคาร์บอนชั้นเดียวและสร้างทฤษฎีจำนวนมากโดยถูกสังเกตผ่านกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนในปี 2505 ศาสตราจารย์ Andre Geim และ Konstantin Novoselov ใช้กระบวนการที่เรียกว่า ' เทคนิคสก็อตเทปซึ่งใช้สก็อตเทปซ้ำ ๆ เพื่อลอกชั้นของกราฟีนออกจากชิ้นส่วนกราไฟท์จนเหลือเพียงชั้นเดียวของอะตอม สิ่งนี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์สองคนได้รับรางวัลโนเบลในปี 2010

ในอนาคตอันใกล้นี้กราฟีนสามารถใช้กับชิ้นส่วนไฟฟ้าและอุปกรณ์อื่น ๆ เช่นเซ็นเซอร์แบตเตอรี่คอมโพสิตเยื่อแลกเปลี่ยนไอออนและผลิตภัณฑ์อื่น ๆ ทีมวิจัยจะมุ่งเน้นไปที่โครงการสามโครงการที่เกี่ยวข้องกับกราฟีนและวัสดุสองมิติซึ่งสามารถนำไปใช้งานได้หลากหลาย หนึ่งในโครงการนี้จะพัฒนาเทคนิคการพิมพ์อิงค์เจ็ทต้นทุนต่ำสำหรับสร้างไมโครเซ็นเซอร์ สิ่งเหล่านี้สามารถนำไปใช้ในภาคพลังงานและสำหรับการใช้งานทางทหาร อีกโครงการหนึ่งจะพิจารณาถึงศักยภาพในการใช้กราฟีนในการกลั่นน้ำทะเล

ศาสตราจารย์ Brian Derby แห่งมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์พูดกับ The Engineer อธิบายว่าข้อดีของการใช้กราฟีนในอิเล็กโทรดแบตเตอรี่เพื่ออ้างถึงเพียงตัวอย่างเดียวคือมีพื้นที่ผิวสูงมากและยังมีความหนาเพียงอะตอมเดียว อย่างไรก็ตามเพื่อให้วัสดุมีประโยชน์จำเป็นต้องบรรจุชั้นที่มีความหนาของอะตอมไว้ในวัตถุ 3 มิติ นี่คือเหตุผลที่นักวิจัยพยายามผลิตโฟมจากกราฟีนเพื่อพัฒนาวิธีการบรรจุวัสดุเพื่อให้สามารถประกอบในอวกาศได้ แต่ยึดพื้นที่ผิวไว้ให้มากที่สุด ทีมงานยังหวังที่จะพัฒนาคอมโพสิตที่เกล็ดกราฟีนกระจายอยู่ภายในเมทริกซ์โพลีเมอร์ดังนั้นจึงสร้างคอมโพสิตที่แข็งแรง แต่ยังใช้งานได้

งานวิจัยกราฟีนที่มหาวิทยาลัย Exeter สหราชอาณาจักร [ภาพ:มหาวิทยาลัย Exeter, Flickr]

กราฟีนมีประโยชน์ต่อภาคพลังงานหมุนเวียนอย่างไร?

ในปี 2554 วิศวกรของมหาวิทยาลัยนอร์ทเวสเทิร์นพบว่าแอโนดกราฟีนสามารถกักเก็บพลังงานได้ดีกว่ากราไฟท์ซึ่งจะช่วยให้สามารถชาร์จแบตเตอรี่ได้ดีกว่าสิบเท่าด้วยการใช้งานที่มีศักยภาพรวมถึงการใช้ในรถยนต์ไฟฟ้า (EV) ในปี 2013 นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยไรซ์ในเท็กซัสคาดการณ์ว่ากราฟีนที่เพิ่มอะตอมโบรอนบางส่วนสามารถใช้ในการผลิตแอโนดที่มีความยืดหยุ่นสูงพิเศษสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน โบรอนช่วยให้ไอออนของลิเธียมเกาะติดกับกราฟีนจึงช่วยให้ชาร์จไฟได้อย่างรวดเร็วซึ่งเป็นสาเหตุที่ทำให้การวิจัยของมหาวิทยาลัยไรซ์ดำเนินการร่วมกับฮอนด้าซึ่งเป็นเพียงหนึ่งในผู้ผลิตรถยนต์หลายรายที่ผลิต EV รุ่นใหม่ บริษัท อื่น ๆ เช่น Kia และ Hyundai ได้แสดงความสนใจในวัสดุนี้ทั้งสอง บริษัท ได้ยื่นจดสิทธิบัตรการใช้กราฟีนในเซลล์เชื้อเพลิง

นักวิจัยของมหาวิทยาลัยไรซ์ยังพบว่ากราฟีนที่ผสมกับวานาเดียมออกไซด์สามารถใช้เพื่อพัฒนาแคโทดที่มีประสิทธิภาพสูงและคุ้มค่าซึ่งสามารถชาร์จใหม่ได้ภายใน 20 วินาทีและคงความจุได้มากกว่า 90 เปอร์เซ็นต์หลังจากใช้งานอย่างกว้างขวาง กราฟีนยังสามารถใช้สำหรับซุปเปอร์คาปาซิเตอร์และนักวิจัยของ UCLA ได้ค้นพบว่าสามารถเคลือบลงบนดีวีดีได้ จากนั้นเครื่องเขียนดีวีดีสามารถใช้เพื่อแทรกวงจรซูเปอร์คาปาซิเตอร์นับล้านลงในชั้นกราฟีนซึ่งสามารถลอกออกได้ในภายหลังและใช้โดยผู้ที่ต้องการแบตเตอรี่ที่ใช้พลังงานสูง นักวิทยาศาสตร์ในสวีเดนได้ค้นพบว่าแมกเฮไมต์ซึ่งเป็นเหล็กออกไซด์ชนิดหนึ่งที่คล้ายกับแร่สีแดงสามารถเพิ่มเข้าไปในกราฟีนทำให้มันม้วนตัวเป็นนาโนสโคป จากนั้นสามารถใช้เป็นอิเล็กโทรดในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

ศาสตราจารย์ฟอร์ไซธ์แห่งคณะวิชาวิศวกรรมไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ของมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์เชื่อว่ากราฟีนสามารถช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของ EV ได้โดยการลดน้ำหนักของแบตเตอรี่ซึ่งปัจจุบันสามารถรับน้ำหนักได้ประมาณ 200 กิโลกรัม นอกจากนี้ยังช่วยในการขยายช่วง EVs ให้ไกลกว่า 100 กิโลเมตรความวิตกกังวลในช่วงนี้เป็นปัจจัยหลักที่ทำให้การดูดซึมของพวกเขาล่าช้า อย่างไรก็ตามการใช้กราฟีนในแบตเตอรี่สามารถช่วยเพิ่มภาคการจัดเก็บพลังงานได้เช่นกันโดยมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์เองได้ทดลองใช้แบตเตอรี่และระบบตัวแปลงแบบกริดในมหาวิทยาลัย

Mercedes SLS AMG E-cell ที่งานเจนีวามอเตอร์โชว์ [ภาพ:เซดริกรามิเรซ Flickr]

สำหรับ PV แสงอาทิตย์สามารถใช้กราฟีนเพื่อพัฒนาสารเคลือบป้องกันแสงสะท้อนสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ได้นักวิจัยในอินเดียพบว่าวัสดุสามารถลดการสะท้อนแสงใกล้กับส่วนอัลตราไวโอเลตของสเปกตรัมแสงอาทิตย์จาก 35 เปอร์เซ็นต์เหลือเพียง 15 เปอร์เซ็นต์ Silvija Gradečakจาก Massachusetts Institute of Technology (MIT) ยังพบว่ากราฟีนในเซลล์ PV สามารถให้ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานที่สูงขึ้นในขณะที่นักวิจัยคนอื่น ๆ ที่มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีมิชิแกนพบว่ากราฟีนสามารถแทนที่ทองคำขาวในขั้วไฟฟ้าเซลล์แสงอาทิตย์โดยไม่สูญเสียประสิทธิภาพ

ดูเพิ่มเติม: รถยนต์ไฟฟ้า (EV) และลูกผสมยอดนิยม 10 คัน

การใช้วัสดุอื่นที่เป็นไปได้คือการแทนที่ Indium Tin Oxide (ITO) ในเซลล์แสงอาทิตย์ นี่เป็นวัสดุที่หายากและมีราคาแพง ปัจจุบันใช้สำหรับอิเล็กโทรดโปร่งใส แต่ก็เปราะมากเช่นกัน นักวิทยาศาสตร์ของ MIT หวังที่จะพัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์ใหม่ที่ทำจากกราฟีนและโมลิบดีนัมไดซัลไฟด์ซึ่งส่งผลให้เซลล์แสงอาทิตย์ที่บางและเบามีประสิทธิภาพมากกว่าแผงซิลิกอนทั่วไปถึง 1,000 เท่า

ในรถยนต์ไฟฟ้าเซลล์เชื้อเพลิง (FCEVs) กราฟีนสามารถช่วยลดต้นทุนเชื้อเพลิงไฮโดรเจนทดแทนซึ่งจะหมายถึงสถานีเชื้อเพลิงไฮโดรเจนมากขึ้นเนื่องจากต้นทุนในการแปรรูปลดลง กราฟีนที่เจือด้วยไนโตรเจนและเสริมด้วยโคบอลต์ได้รับการแสดงโดยนักวิทยาศาสตร์ของมหาวิทยาลัยไรซ์ว่าเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพและทนทานสำหรับการผลิตไฮโดรเจนจากน้ำแทนที่ทองคำขาวที่มีราคาแพง

จนถึงตอนนี้การใช้พลังงานหมุนเวียนที่สำคัญสองอย่างของกราฟีนจึงดูเหมือนจะเป็นเซลล์แสงอาทิตย์และแบตเตอรี่สำหรับ EV แม้ว่าขณะนี้ตลาดโดยรวมของวัสดุจะมีมูลค่าเกินกว่า 9 ล้านเหรียญในเซมิคอนดักเตอร์อิเล็กทรอนิกส์แบตเตอรี่และคอมโพสิต

ศูนย์นวัตกรรมวิศวกรรมกราฟีนแห่งใหม่ (GEIC) ของมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ที่วางแผนไว้ [ภาพ:มหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์]

ขณะนี้สหราชอาณาจักรกำลังก้าวไปข้างหน้าด้วยสิ่งนี้ขณะนี้มหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์กำลังดำเนินการสร้างศูนย์วิจัยกราฟีนผู้เชี่ยวชาญแห่งที่สองซึ่งเพิ่งได้รับอนุญาตวางแผนเมื่อวันที่ 15 กุมภาพันธ์. Graphene Engineering Innovation Center (GEIC) จะมุ่งเน้นไปที่การพัฒนาที่นำโดยอุตสาหกรรมและการประยุกต์ใช้ผลิตภัณฑ์กราฟีนโดยร่วมมือกับ National Graphene Institute (NGI) และสถาบัน Sir Henry Royce เพื่อการวิจัยวัสดุขั้นสูงที่เสนอเพื่อให้สามารถพัฒนากราฟีนจาก การวิจัยเบื้องต้นเพื่อยุติผลิตภัณฑ์จึงทำให้แมนเชสเตอร์เป็นศูนย์กลางการวิจัยกราฟีนชั้นนำระดับโลก ความสำคัญจะอยู่ที่การปรับปรุงวัสดุที่มีอยู่ในปัจจุบันและเปิดตลาดใหม่ด้วยการระดมทุนสำหรับ GEIC ซึ่งส่วนใหญ่จัดหาโดย Masdar บริษัท พลังงานหมุนเวียนในอาบูดาบีและสภาการศึกษาระดับอุดมศึกษาสำหรับกองทุนเพื่อการลงทุนในสหราชอาณาจักรเพื่อการวิจัยแห่งสหราชอาณาจักร (UKRPIF) ศูนย์นี้มีกำหนดแล้วเสร็จในปลายปี 2560