Grafen, yüksek termal iletkenliğe sahiptir ve buna dayalı elektronik cihazlar, rekor düzeyde yüksek elektron hareketliliğinde silikon cihazlardan daha iyi performans göstermektedir.
Grafen levhalar, polimerik matrislerde dış ortamdan
üretilen ısının yayılmasını önlemek ve termal stabiliteyi
iyileştirmek için bariyer görevi görebilir. Termal iletkenlik
esas olarak termal stabilitesine, en-boy oranına ve
dağılımına bağlıdır. İyi bir dağılım elde etmek için,
grafenin işlevselleştirilmesi de kullanılmıştır ve bu tür
işlevselleştirilmiş grafen süper termal iletkenlik
sergilemektedir; bununla birlikte, düşük işlevsellik seviyesi,
dolgu maddelerinin polimerlerdeki tatmin edici olmayan
dağılımlarına neden olabilir.
Grafenin elektriksel iletkenliği, polimer bazlı sensörler, anti-statikler, mikrodalga emiciler ve iletken kaplamaların imalatında mükemmel bir şekilde kullanılır.
Grafen polimer nanokompozitlerde iletken mekanizma, dispersiyonun doğasına ve hızına ve polimer matris ile etkileşime bağlı olarak süzülme eşiğinde sürekli bir elektriksel iletken ağ oluşumu olarak açıklanmaktadır.
Daha büyük en boy oranı grafenler, nanokompozitlerde süzülme eşiğini daha etkili bir şekilde düşürür ve böylece düşük dolgu yüklemesinde mükemmel iletken filmleri sentezler. Polimer/grafen sistemleri için, grafen oksidin yüksek indirgeme sıcaklığı, daha düşük sıcaklıklarda indirgeme süresinin uzatılmasına kıyasla elektriksel iletkenliğin artmasına neden olur. Termal olarak indirgendiğinde, elde edilen nanokompozitler düşük süzülme eşiği ve yüksek elektriksel iletkenlik gösterir. Bu, termal indirgeme sırasında orijinal olarak mevcut yüzey aktif maddelerin uzaklaştırılmasına ve dolayısıyla rGO tabakalarının ara katmanları arasındaki düşük temas direncinin korunmasına sebep olur. Ayrıca termal indirgeme, grafen oksiminin kimyasal indirgenmesinden (24 saat) daha kısa sürer (15-30 dakika). Örneğin, polivinil alkol (PVA) / LrGO nanokompozitlerinin elektriksel iletkenliğinin, LrGO'nun ağırlıkça % 0,3'ünde 2,5.10−6 S/m olduğu gözlemlenmiştir. Ağırlıkça % 1 LrGO'da elektriksel iletkenlik tekrar 2,09.10−4 S/m'ye yükseldi, bu da LrGO'ların iletken ağı iyileştirmedeki etkinliğini gösterir. Bu durumda süzülme eşiği sadece ağırlıkça % 0,198 olarak bulundu. Ayrıca grafenin ulaşılan en düşük perkolasyon değerinin hacimce %0,1 olduğu tespit edilmiştir.
Grafitik dolgu takviyeli polimer nanokompozitleri sentezlemek için kullanılan çeşitli hazırlama yöntemleri arasında eriyik karıştırma, çözelti karıştırma ve yerinde polimerizasyon yer alır. Bu üç geleneksel polimer kompozit hazırlama yöntemine ek olarak, malzeme imalatı için birçok başka yöntem de uygulanmaktadır. Tipik bir bant döküm yönteminde, doğal pul grafit tozları (NGP) ve polivinil butiral (PVB) karışımı, etanol içinde manyetik olarak karıştırılır ve hava kabarcıklarını tahliye ile giderdikten sonra, bu karışım, bir bıçak kullanılarak plastik bir film üzerine dökülür. Şekil a'da gösterilmiştir. Bıçak, anizotropik grafit parçacıkları içeren kompoziti yönlendiren bir kesme kuvveti uygular. Bu yöntem, grafit tozlarının konsantrasyonu ağırlıkça % 10 ile % 95 arasında değiştirilerek ve kanat yükseklikleri 300 ila 500 µm arasında değiştirilerek test edildiğinde. Daha iyi yönlendirme için güçlü bir kesme kuvveti oluşturmak için dar bir bıçak boşluğu gereklidir ve farklı test koşulları aynı zamanda ısıl iletkenliği ve yönelim derecelerini de etkiler. Başka bir hazırlama sürecinde, bir renk değişikliği ile elektrik akımına cevap verebilen polidiasetilen (PDA) -Polimetilmetakrilat (PMMA) / grafen kompozitleri geliştirilmiştir. Elektrokromik yöntemde (Şekil b), PDA elektrokromik malzeme görevi görür ve grafen iletkenlik sağlar. PMMA, inert polimer matris görevi görür ve mekanik özellikleri geliştirir. Mavi-kırmızı faz geçişi, PDA / grafene kıyasla PDA-PMMA / grafende açıkça görülebilir. Renk geçişi için kritik akım grafen miktarı ile değiştirilebilir. Fonksiyonelleştirilmiş GO'nun epoksi reçinesi ile sonikasyon yoluyla karıştırılması, modifiye GO parçacıklarını sudan epoksiye aktarır. Bu yine uygulanan bir başka fabrikasyon yöntemidir. Suyu boşalttıktan sonra, karışımın ısıtılması koyu mor epoksi ile modifiye edilmiş GO kompoziti oluşturur ve epoksi sertleştirici eklenerek kürlenebilir. Nihai kompozitlerdeki fonksiyonelleştirilmiş GO'nun hesaplanan hacim fraksiyonları sırasıyla 1,16 ve 2,2 g/cm3'tür. Bakır oksit nanopartikül/grafen (CuO-GR) nanokompozitler, Hummers yöntemi ile sentezlenen GO kullanılarak hazırlanmaktadır. Bakır-asetat-adsorbe edilmiş GO bir öncü görevi görür. GO, kalan metal iyonlarını ve asidi çıkarmak için iyonu giderilmiş suyla yıkanır ve bir bakır (II) nitrat sulu çözeltisi ilave edilir. Yine, manyetik karıştırma altında amonyum hidroksit ilave edilir ve karışım, 100 °C'de bir otoklava aktarılır. Oluşan siyah CuO-GR nanokompozitler, damıtılmış su ve etanol ile yıkanır.
Birçok önemli karakteristik teknik, grafitik dolguların ve bunların polimer kompozitlerinin morfolojisini, yapısını ve üstün özelliklerini ortaya çıkarır. Çeşitli karakterizasyon tekniklerinden, malzemeler için üç önemli analiz yöntemi
- X-ışını kırınım spektroskopisi (XRD),
- Fourier Dönüşüm Kızılötesi (FTIR) Spektroskopisi
- Raman spektroskopisidir.
Şekil grafit, GO için XRD modelini ve polianilinde (PANI) dağılım modlarını göstermektedir. 2θ / 10,04 ° 'de gözlemlenen tepe kullanılarak GO tane boyutu 5,1 nm olarak tahmin edildiştir. Polimer durumunda, kristalize PANI, 15 ° ile 34 ° arasında uzanan geniş bir bant verir. PANI kompoziti için, 10,04 ° 'deki pikin yoğunluğu etkilenir (Şekil a).
RGO dolgu maddelerinin pul pul dökülme hızı üzerine deneysel koşulların etkisi nedeniyle, farklı sıcaklık koşulları altında hazırlanan PDA kompozitlerinde XRD spektrumunda varyasyon gözlemlenmiştir. Grafitin (002) düzlemine karşılık gelen 26 ° merkezli tepe Şekil b'de görülmektedir. EG de aynı tepeyi gösterirken, GO için kırınım tepe noktası, 0,9 nm'lik bir d-aralığına karşılık gelen 9,8 ° 'ye kaydırılır. Grafite kıyasla EG'nin zayıf kırınım maksimum değeri, pul pul dökülmüş doğasına bağlanır. GO'da d-aralığı, hazırlama yöntemine ve malzemenin yapısında hapsolmuş su katmanlarının sayısına bağlıdır. İşlevselleştirilmiş grafen levhalar (FGS), malzemedeki uzun menzilli istifleme düzeninin kaybını gösteren hiçbir karakteristik tepe göstermez. Ayrıca grafen durumunda, Bragg zirvesi tamamen yoktur çünkü saf grafen yığın içermez.
Sonuç olarak GO, metal iyonları ile etkileşime girer ve MG ve PMG kompozitlerinde 582 cm-1'deki ek pik, Fe-O bağının oluşumunu gösterir. MG için 1037 ve 1088 cm-1 ve PMG için 1044 cm-1'deki iki ek pik, C-O'nun farklı metal iyonları ile bağlanmasıyla metal nanopartiküllerin oluşumunu içeren farklı C-O germe titreşimlerine karşılık gelir. Genel olarak RGO, O–H bandının 3430 cm-1'deki yoğunluğu, GO işlevlerinin deoksijenasyonu nedeniyle azaldı. Yerinde yöntemle elde edilen RGO- (PMMA) nanokompozitler için 3420, 1726 ve 1620 cm-1'de bulunan bantlar sırasıyla O–H, C=O ve C=C gruplarının varlığından kaynaklanmaktadır. GO-PMMA, R-(GO-PMMA) durumunda azaltıldığında, C=C bantlarının yoğunluğu artarken, C=O bandının yoğunluğu azalır.
Bir diğer önemli karakterizasyon aracı, nanokompozitlerin kimyasal yapısını ve aralarındaki etkileşimleri doğrulayan FTIR'dir. Grafit, GO, manyetit-grafen (MG) ve Pd/Fe3O4/grafen (PMG) nanokompozitler için elde edilen FTIR spektrumları Şekilde gösterilmektedir. GO'da, O–H gruplarına, C=O karbonil / karboksil gruplarına, C=C'ye karşılık gelen 3429, 1723, 1630, 1618 ve 1073 cm-1 bantlarından kanıtlandığı üzere, farklı oksijen işlevsellik türlerinin varlığı doğrulanır.
Grafit ve grafeni ayırt etmek için en iyi teknik
Raman spektroskopisidir. Bu basit spektroskopi
tekniği, grafen katmanlarının sayısını, grafen
katmanlarının yönünü ve kristal kalitesini
belirleme yeteneğine sahiptir.
Kömür, petrol ve doğal gazlar gibi geleneksel fosil yakıtların hızlı tüketimi ve fazla araştırılması sonuç olarak ağır doğal kaynak tükenmesine yol açmıştır.
Fosil yakıtların kullanım sürecinde sera gazları ve hatta bazı zehirli yan ürünler kaçınılmaz olarak ortaya çıkmakta, çevresel dengeyi bozmakta ve iklim değişikliğini ağırlaştırmaktadır. Pek çok bilim insanı, fosil yakıtların tam olarak tüketilmesinden önce, ticari uygulamalar için temiz ve sürdürülebilir enerji geliştirme hayati görevini yerine getirmeye kendini adamıştır. Yakıt pilleri uzun zamandır kimyasal enerjiyi çevreye herhangi bir zehirli kirletici madde yaymadan doğrudan elektriğe dönüştüren enerji dönüşümü için yüksek verimli cihazlar olarak kabul edilmektedir. 160 yıl önce bir yakıt hücresi prototipinin ilkel icadından bu yana, yakıt hücreleri pek çok araştırma ilgisini çekmiştir.
Yakıt hücrelerine sürekli güç sağlamak için hidrojen, metanol, formik asit ve hatta atık su gibi çeşitli yakıt türleri araştırılmıştır. Bununla birlikte, yakıt pillerinin ticarileştirilmesini, yüksek maliyeti, verimsiz güç üretimi ve verimsiz istikrar engellemektedir.
Son yıllarda grafen-polimer nanokompozitler, yakıt hücrelerinde fonksiyonel bileşenler olarak yoğun ilgi görmüştür. Membranlar, anot ve katot malzemeleri olarak uygulanan grafen-polimer kompozitlerin son keşifleri özetlenecektir.
Ayrıca, grafen-polimerin soy metal katalizörlerini desteklemek için yaşamsal rolleri gösterilecektir. Son olarak, yakıt pilleri için grafen-polimer kompozitlerin beklentileri daha fazla gelişme için ana hatlarıyla belirtilecektir.