بخشی از مقاله
چکیده:
آهستگی سرعت واکنش احیاء اکسیژن فاکتور اصلی محدودیت در پیلهای سوختی تبدیل انرژیِ میباشد. بنابر این موثرترین الکتروکاتالیست در سلولهای سوختی ،پلاتینیا الیاژهای آن میباشد.با این وجود ، هزینه بالای تولید پلاتین ، تولید محدود آن و ثبات یا پایداری کم پلاتین از کاربرد آن در مقیاس بالا در پیلهای سوختی جلوگیری کرده است. بنابر این دلایل ، تلاشهای زیادی برای جایگزینی کاتالیستهای مبتنی بر پلاتین صورت گرفته است ، و در این میان با ماده کربنی گرافن آشنا شدیم. گرافن و گرافن تغییریافته شیمیایییا به عبارت بهتر مشتقات شیمیایی گرافن گزینه های بسیار مناسبی برای کاربردهای مختلفی همچون مواد ذخیره کننده انرژی ، مواد شبه کاغذ ، کامپوزیت های پلیمری به شمار میروند.
در این میان، استفاده از گرافن در زمینه کاتالیز - کاتالیستهای مبتنی بر گرافن - مورد توجه بسیاری از محققان در سالهایاخیر بوده است، که این کاربرد گرافن در زمینه کاتالیز، به مساحت سطح فوق العاده زیاد گرافن و تواناییهای جذب سطحی آن ، ثبات و پایداری و فعالیت کاتالیزوری بالای آن مربوط میشود.
در این تحقیق ما به بررسی ساختارماده کربنی گرافن و روشهای تولید آن و همچنین کاربرد آن در زمینه فرآیندهای کاتالیزی در پیلهای سوختی برای احیاء اکسیژن پرداخته ایم و نشان دادیم که گرافن با دارا بودن ویژگیهای عالی مکانیکی ، الکتریکی، دمایی ، مساحت سطحی بسیار بالا و امکان عامل دار کردن شیمیایی آن ،که بدلیل ساختار تک لایه ای بدون بعد از کربن هیبرید شده میباشد در گستره وسیعی از زمینه ها از قبیل الکترونیک ، سنسورها یا حسگرها ، باتریها و کاتالیستها در پیلهای سوختی بجای کاتالیستهای مبتنی بر پلاتین مورد توجه قرار می گیرد.
-1مقدمه:
-1-1تعریف گرافن
گرافن یکی از الوتروپهای کربن است. در گرافیت هر کدام از اتمهای چهار ظرفیتی کربن، با سه پیوند کووالانسی به سه اتم دیگر متصل شده اند و یک شبکه گسترده را تشکیل میدهند. این لایه خود بر روی لایه های کامل مشابه قرار گرفته است ، و به این ترتیب ،چهارمین الکترون ظرفیت یک پیوند شیمیایی داده است. اما این پیوند از نوع واندروالسی است که پیوند ضعیفی است. و بنابر این لایه های گرافیت براحتی روی هم سر میخورند. گرافن ماده ای است که در آن تنها یکی از لایه های گرافیت وجود دارد و به عبارتی چهارمین الکترون پیوندی کربن ، به عنوان الکترون ازاد باقی مانده است.
هرچند نخستین بار در سال 1947 فیلیپ والاس در باره گرافن مطالبی نوشت و سپس از آن زمان تلاشهای زیادی برای ساخت آن صورت گرفته است اما قضیه مرمین-واگنر در مکانیک اماری و نظریه میدانهای کوانتومی وجود داشت که ساخت یک ماده دوبعدی را غیر ممکن و چنین ماده ای را عیر پایدار میدانست. اما به هر حال در سال 2004، اندره گایم و کنستانتین نووسلف ، از دانشگاه منچستر موفق به ساخت این ماده شدند و نشان دادند که قضیه فوق نمیتواند کاملا درست باشد. لازم به ذکر میباشد که اصطلاح گرافن برای اولین بار در سال 1962 معرفی شد
-2-1روشهای ساخت گرافن
امروزه روش های بسیار متنوعی برای ساخت گرافن بکار برده میشود که از متداولترین آنها میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
-1رسوبدهی بخار شیمیایی
-2لایه برداری مکانیکی از گرافیت
-3رشد همبافته در سطوح الکتریکی عایق
-4ایجاد تعلیق کلوئیدی از گرافن ساخته شده از گرافیت
-5 شکافتن نانو لوله های کربنی
-6 ساخت با امواج ماکرو ویو
-7سنتز شیمیایی -8لایه برداری شیمیایی
در سال 1975گروه لانگ برای اولین بار گرافیت کم لایه بر روی سطح بلور پلاتین را با استفاده از روش رسوب بخار شیمیایی تولید کردند. در سال 1999 گرو لو با استفاده از روش لایه برداری مکانیکی بر روی گرافیت پیرولیتی اقدام به تهیه گرافین تک لایه کردند. با این وجود گرافن تک لایه برای اولین بار در سال 2004 توسط گروهی بنام نوسلوف تولید و گزارش شد. انها از چسب نواری برای جدا کردن لایه های گرافین از سطح زیر لایه استفاده کردند. این روش توانایی و قابلیت تولید لایه های متنوع گرافین را دارد و علاوه بر آن ، اسان نیز است. روش لایه برداری مکانیکی قابللیت تولید لایه های گرافیتی کم لایه و چند لایه را دارد اما ضخامت گرافیت بدست آمده توسط این روش برابر با 10 نانومتر است که تقریبا برابر با 30 لایه گرافن تک لایه است.
-3-1ساختار اتمی گرافن
با در نظر گرفتن توجه دانشمندان به گرافن و امید به کاربردهای مختلف آن در آیندهی نزدیک، تلاش های تحقیقاتی زیادی به درک ساختار و خواص گرافن اختصاص داده شده است. به طور کلی انتظار می رود که گرافن تنها از یک لایه تشکیل شده باشد، اما علاقه قابل توجهی برای تحقیق در مورد گرافن دو لایه و کم لایه نیز وجود دارد. لایه های گرافینی از 5 تا 10 لایه را بنام گرافین کم لایه و بین 20 تا 30 لایه را بنام گرافین چند لایه، گرافین ضخیم و یا نانوبلورهای نازک گرافیتی ، مینامند. صفحات گرافن با کنار هم قرار گرفتن اتمهای کربن تشکیل میشوند.
در یک صفحه گرافن ، هر اتم کربن با 3 اتم کربن دیگر پیوند داده است. این 3 پیوند در یک صفحه قرار دارند و زوایای بین انها با یکدیگر مساوی و برابر با 120 درجه است. در این حالت ، اتمهای کربن در وضعیتی قرار میگیرند که شبکه ای از شش ضلعیهای منتظم را در حالت ایده آل ایجاد میکنند . طول پیوند کربن -کربندرحدود 0,142 نانومتراست. گرافنتکلایه ساختار زیر بنایی برای ساخت ساختارهای کربنی میباشد که اگر بر روی هم قرار بگیرند توده سه بعدی گرافیت را تشکیل می دهند.
برهمکنش بین این صفحات از نوع واندروالسی با فاصله بین صفحه ای 0,335 نانومتر می باشد. اگر تک لایه گرافیتی حول محوری لوله شود، نانو لوله کربنی شبه یک بعدی و اگر به صورت کروی پیچانده شود فلورین شبه صفر بعدی را شکل می دهد،گرافن طبیعییک شبه فلز یایک نیمه رسانا با گاف نواری صفر است و همچنین دارای تحرک پذیری الکترونی بسیار بالا در دمای اتاق می باشد،گرافن دو لایه به عنوان نیمه رسانای بدون گاف در نظر گرفته شده است. گرافن تک لایه و دو لایه شفافیت بسیار بالا برای امواج نور در محدوده ی ماوراء بنفش تا مادون قرمز از خود نشان می دهند، و می توانند در ساخت الکترود های شفاف در سلول های خورشیدی کاربرد داشته باشند،تجزیه و تحلیل ساختار باند - گاف انرژی - گرافن کم لایه، گافی را نشان نمی دهد.
این ساختار به طور فزاینده ای با افزایش تعداد لایه ها فلزی می شود. چند لایه گرافن، مساحت سطح بسیار بالا، تقریبا قابل مقایسه با تک لایه گرافن را نشان می دهد، چند لایه گرافن همچنین قابلیت خوبی برای عامل دار شدن با مواد مختلف به صورت کووالانسی و غیر کووالانسی از خود نشان می دهد که منجر به حل شدن آن در حلال های مختلف می شود .گرافن ساختار دوبعدی از یک لایه منفرد شبکه لایه زنبوری کربنی می باشد. گرافن به علت داشتن خواص فوق العاده در رسانندگی الکتریکی و رسانندگی گرمایی ، چگالی بالا و تحرک پذیری حامل های بار ، رسانندگی اپتیکی و خواص مکانیکی به ماده ای منحصر بفرد تبدیل شده است.
شکل - : - 1 تصویری از ساختار اتمی گرافن
-4-1محدودیتهای گرافن
ضخامت گرافن یک لایه اتم کربن است که دارای پتانسیل بالقوه ای برای جایگزینی با سیلیکون میباشد که پیشرفت جامعه اینده به آن مدیون خواهد بود. با وجود اینکه دارای مشخصات بالقوه ای همچون قدرت و وزن سبک و انعطاف پذیری و هدایت بالایی هستند اما محدودیت های اینماده به نوعی مانع استفاده آنها در میکروپردازنده ها و وسایل الکترونی می باشد.
