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Indústria

O potencial do grafeno para sistemas de energia renovável

O potencial do grafeno para sistemas de energia renovável

A estrutura do grafeno [Imagem:UCL Matemática e Ciências Físicas, Flickr]

No início deste ano, no final de janeiro, as universidades de Manchester e Abu Dhabi anunciaram sua intenção de colaborar em um projeto para produzir espuma contendo grafeno, um material que consiste em uma única camada de átomos de carbono dispostos em uma estrutura de favo de mel que é 10 vezes mais resistente que o aço, mas 1000 vezes mais leve do que uma folha de papel por unidade de área.

O grafeno foi descoberto pela primeira vez em um laboratório na Universidade de Manchester em 2004 após anos de tentativas de cientistas para produzir uma única camada de carbono e muita teorização, sendo observado através de um microscópio eletrônico em 1962. Os professores Andre Geim e Konstantin Novoselov usaram um processo chamado de ' técnica da fita adesiva ', em que a fita adesiva era repetidamente usada para retirar camadas de grafeno de um pedaço de grafite até que apenas uma única camada de átomos permanecesse. Isso rendeu aos dois cientistas um prêmio Nobel em 2010.

Em um futuro próximo, o grafeno pode ser potencialmente usado para componentes elétricos e outros itens, como sensores, baterias, compostos, membranas de troca iônica e outros produtos. A equipe de pesquisa estará focada em três projetos envolvendo grafeno e materiais bidimensionais que podem ser usados ​​em uma variedade de aplicações. Um dos projetos desenvolverá uma técnica de impressão a jato de tinta de baixo custo para a construção de microssensores. Estes poderiam então ser usados ​​no setor de energia e para aplicações militares. Outro projeto analisará o potencial de uso do grafeno na dessalinização de água.

O professor Brian Derby, da Manchester University, falando ao The Engineer, explicou que a vantagem de usar grafeno em eletrodos de bateria, para citar apenas um exemplo, é que ele tem uma área de superfície muito alta e ainda assim tem apenas um átomo de espessura. No entanto, para que o material seja útil, as camadas com a espessura de um átomo devem ser empacotadas em um objeto 3D. É por isso que os pesquisadores tentarão produzir espuma a partir do grafeno, a fim de desenvolver formas de embalar o material de forma que ele possa ser montado no espaço, mas mantenha sua área de superfície o máximo possível. A equipe também espera desenvolver compósitos nos quais flocos de grafeno são dispersos dentro de uma matriz de polímero, criando assim um compósito forte, mas ainda viável.

Pesquisa de grafeno na Universidade de Exeter, Reino Unido [Imagem:Universidade de Exeter, Flickr]

Como o grafeno pode beneficiar o setor de energia renovável?

Em 2011, engenheiros da Northwestern University descobriram que os ânodos de grafeno retêm energia melhor do que o grafite, permitindo assim um carregamento de bateria dez vezes melhor, com aplicações potenciais, incluindo o uso em veículos elétricos (EVs). Em 2013, pesquisadores da Rice University, no Texas, previram que o grafeno, com a adição de alguns átomos de boro, poderia ser usado para produzir um ânodo flexível ultrafino para baterias de íon de lítio. O boro ajuda os íons de lítio a se prenderem ao grafeno, ajudando assim a fornecer carga rápida, razão pela qual a pesquisa da Rice University foi conduzida em associação com a Honda, apenas uma das muitas fabricantes de veículos que atualmente produzem novos modelos EV. Outras empresas, como Kia e Hyundai, demonstraram interesse pelo material, ambas depositando patentes para o uso de grafeno em células a combustível.

Os pesquisadores da Rice University também descobriram que o grafeno misturado com óxido de vanádio pode ser usado para desenvolver cátodos de alto desempenho e custo-benefício que podem ser recarregados em 20 segundos e reter mais de 90 por cento de sua capacidade após uso extensivo. O grafeno também pode ser usado para supercapacitores e pesquisadores da UCLA descobriram que ele pode ser revestido em um DVD. Um gravador de DVD pode então ser usado para inscrever milhões de circuitos de supercapacitor na camada de grafeno, que podem ser posteriormente removidos e usados ​​por qualquer pessoa que necessite de uma bateria superalimentada. Cientistas na Suécia também descobriram que a maghemita, um tipo de óxido de ferro semelhante ao minério vermelho, pode ser adicionada ao grafeno, fazendo com que ele se enrole em um nano rolo. Eles podem ser usados ​​como eletrodos em baterias de íon de lítio.

O professor Forsyth, da Escola de Engenharia Elétrica e Eletrônica da Universidade de Manchester, acredita que o grafeno pode ajudar a aumentar a eficiência dos VEs, reduzindo o peso das baterias, que atualmente podem pesar cerca de 200 kg. Isso também ajudaria a estender o alcance dos VEs além de 100 quilômetros, sendo a ansiedade de alcance atualmente o principal fator que atrasa sua captação. No entanto, o uso do grafeno em baterias também pode impulsionar o setor de armazenamento de energia, com a própria Universidade de Manchester testando uma bateria em escala de rede e um sistema conversor em seu campus.

Mercedes SLS AMG E-cell no Salão Automóvel de Genebra [Imagem:Cedric Ramirez, Flickr]

Com relação ao PV solar, o grafeno pode ser usado para desenvolver revestimentos anti-reflexo para células solares. Pesquisadores na Índia descobriram que o material pode reduzir a refletância perto da parte ultravioleta do espectro solar de 35 por cento para apenas 15 por cento. Silvija Gradečak, do Massachusetts Institute of Technology (MIT), também descobriu que o grafeno em células fotovoltaicas pode fornecer maior eficiência de conversão de energia, enquanto outros pesquisadores da Michigan Technological University descobriram que o grafeno pode substituir a platina em eletrodos de células solares sem perda de eficiência.

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Outro uso potencial para o material é a substituição do óxido de índio e estanho (ITO) em células solares. Este é um material raro e caro. Atualmente é usado para eletrodos transparentes, mas também é muito frágil. Os cientistas do MIT esperam desenvolver uma nova célula solar feita de grafeno e dissulfeto de molibdênio, resultando em uma célula solar que é fina e leve com uma eficiência 1000 vezes maior do que os painéis convencionais de silício.

Em veículos elétricos com célula de combustível (FCEVs), o grafeno poderia ajudar a reduzir o custo do combustível de hidrogênio renovável, o que, por sua vez, significaria mais postos de combustível de hidrogênio devido aos custos mais baixos de processamento. O grafeno dopado com nitrogênio e aumentado com cobalto foi demonstrado pelos cientistas da Rice University como um catalisador eficaz e durável para a produção de hidrogênio a partir da água, substituindo a cara platina.

Até agora, as duas principais aplicações de energia renovável do grafeno parecem ser células solares e baterias para EVs, embora o mercado geral do material valha agora mais de US $ 9 milhões em semicondutores, eletrônicos, baterias e compostos.

O planejado novo Centro de Inovação em Engenharia de Grafeno (GEIC) da Universidade de Manchester [Imagem:Universidade de Manchester]

O Reino Unido está agora acelerando com isso, a Universidade de Manchester agora está no caminho certo para construir um segundo centro de pesquisa de grafeno especializado, que acaba de receber permissão de planejamento em 15º Fevereiro. O Graphene Engineering Innovation Center (GEIC) se concentrará no desenvolvimento e aplicação de produtos de grafeno liderados pela indústria, cooperando com o Instituto Nacional de Grafeno (NGI) e o proposto Instituto Sir Henry Royce para Pesquisa de Material Avançada, a fim de permitir o desenvolvimento de grafeno de pesquisa inicial para produtos finais, estabelecendo assim Manchester como um centro global líder para pesquisa de grafeno. A ênfase estará na melhoria dos materiais atualmente existentes e na abertura de novos mercados com financiamento para o GEIC fornecido em grande parte pela empresa de energia renovável de Abu Dhabi Masdar e pelo Conselho de Financiamento de Educação Superior para o Fundo de Investimento de Parceria de Pesquisa do Reino Unido (UKRPIF). O centro deverá ser concluído até o final de 2017.


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