İki veya daha fazla sayıdaki aynı veya farklı gruptaki malzemelerin en iyi özelliklerini yeni ve tek bir malzemede toplamak amacı ile makro düzeyde

İki veya daha fazla sayıdaki aynı veya farklı

gruptaki malzemelerin en iyi özelliklerini yeni

ve tek bir malzemede toplamak amacı ile

makro düzeyde birleştirilmesi ile oluşturulan

malzemeler olarak adlandırılırlar.

1-İnsan yapısı olmalı

2-En az iki veya daha fazla fiziksel ve mekaniksel özelliği ayrı olan malzemelerin birleştirilmesi ve farklı ara yüzeye sahip olmaları

3-Herhngi bir ferdi bileşen ile elde edilemeyen mekanik özelliklerin gerçekleştirilmesi

4-Optimum özellikler elde etmek için bir

malzemenin diğer malzeme içine kontrollü

şekilde dağıtılması ile iki ayrı malzeme karıştırılarak kompozit bir malzeme oluşturması

5-Kompoziti oluşturan elemanların en iyi

özelliklerinin bir arada toplanması gerekir.

 Yüksek dayanım

 Yüksek rijitlik

 Yüksek yorulma dayanımı

 Mükemmel aşınma direnci

 Yüksek sıcaklık kapasitesi

 İyi korozyon direnci

 İyi ısı iletkenliği

 Düşük ağırlık

 Çekicilik ve estetik görünüm

1-Üretim Güçlüğü 2-Pahalı olması

3-İşlenmesinin güç olması

4-Gerekli yüzey kalitesinin elde edilememesi 5-Geri dönüşümün olmayışı

6-Kırılma uzamasının az oluşu

1-Elyaf takviyeli kompozit malzemeler a)Sürekli elyaf takviyeli

b)Kesikli elyaf takviyeli

c)Rasgele düzlemsel olarak yönlendirilmiş elyaf takviyeli

2-Parçacık takviyeli kompozit malzemeler a)Büyük parçacıklarla dayanımı arttırılmış kompozitler

b)Dispersiyonla dayanımı arttırılmış kompozitler

3-Tabakalı kompozit malzemeler

Matrisin fonksiyonu parçacık takviyeli kompozit malzemelerde, malzemelerdeki parçacıkları bir arada tutmaktır. Elyaf takviyeli kompozitlerde ise düzenlenmiş elyafları bir arada tutarak

kuvvetleri elyafa iletmek, elyafları çevresel etki ve darbelerden korumak ve çatlakları

durdurmaktır.

Kompozitler Matris Malzemesine göre 3 gruba ayrılır.

1-Polimerik

2-Seramik

3-Metalik

 Komposit malzemelerde 1-Termosetler

2-Elastomerler

3-Termoplastikler

Matris malzemesi olarak kullanılırlar.

 Kompozit malzemelerde ilk uygulamaları cam takviyeli polimer esaslı kompozitler kullanılarak radar kubbeleri yapılarak

başlanmıştır.

 Bu kompozitler hafiflik, elektro manyetik geçirgenlik, atmosfer koşullarına

dayanıklılık ve mekanik özellikleri

nedeniyle tercih edilmiştir.

Günümüzde teknoloji esas olarak nanopartiküllere dayanmaktadır ve iki boyutlu grafen levhalar, olağanüstü elektron taşınması, mekanik özellikleri ve yüksek yüzey alanı nedeniyle muazzam bir bilimsel ilgi konusu olarak ortaya çıkmıştır. Bu tek atom kalınlığındaki tek tabakalı grafit ilk olarak mekanik pul pul dökülme ile üretilen ve şimdiye kadar keşfedilmiş en hafif, en ince ve en güçlü malzemedir. Grafen yalnızca 1 atom kalınlığında olduğundan, grafen katmanlarını diğer bileşiklerle birleştirerek, grafeni diğer malzemelerin tasarlandığı atomik yapı iskelesi olarak etkin bir şekilde kullanarak başka malzemeler oluşturmak mümkündür. Grafenin elektronikte olduğu gibi umut verici uygulamaları, 2,630 m²/g yüksek teorik yüzey alanı ve iki boyutlu yüzeyi boyunca elektronları veya delik transferini kolaylaştırma kabiliyetinden kaynaklanmaktadır. Grafenle ilgili tek sorun, yüksek kaliteli grafenin, bant aralığı olmayan (kapatılamayan) harika bir iletken olmasıdır. Bu nedenle, gelecekteki nano-elektronik cihazların oluşturulmasında grafeni kullanmak için, bir bant boşluğunun tasarlanması gerekecek, bu da elektron hareketliliğini şu anda gergin silikon filmlerde görülen seviyelere indirecek.

Grafen, karbon muadillerine kıyasla düşük maliyetli, iki dış yüzeye, kolay üretim ve modifikasyona ve toksik metal partiküllerinin yokluğuna sahiptir.

Bunun yeni işlevleri arasında ultrakapasitörler, şeffaf iletken elektrotlar, vb.

bulunmaktadır, çünkü grafen 200000 cm²/V.s gibi olağanüstü elektron hareketliliğine sahiptir.

Grafen, tüm grafitik karbon formlarının temel yapı taşıdır. Şekilde

gösterildiği gibi bal peteği yapısında düzenlenmiş sp2 hibritlenmiş

karbon atomlarının tek bir atomik tabakasından oluşur. Kısa bir süre

sonra grafenin, gaz geçirimsizliği ile birlikte yüksek seviyelerde sertlik ve

güç ve termal iletkenlik gibi başka ilginç ve heyecan verici fiziksel

özelliklere sahip olabileceği anlaşıldığından, malzeme üzerine yapılan

araştırmalar önemli ölçüde genişlemiştir. Grafenin bu özellikleri

anlaşılınca, nanotüpler veya nanokillerle güçlendirilmiş

nanokompozitler alanında olduğu gibi grafen nanokompozitlere

yönelik çalışmalarda oldukça önem kazanmıştır.

Grafit, hem doğal hem de sentetik kaynaklardan elde edilebilen oldukça ucuz bir malzemedir. Ana grafit türevleri arasında genişletilmiş grafen (EG), grafit oksit (GO), grafen nanoplateletler (GNP), grafen oksit (GO), indirgenmiş grafen oksit (RGO) ve grafen bulunur. Grafenin elektronik, fotonik, mekanik ve termal özellikleri katman sayısına [tek katmanlı (ML), iki katmanlı (BL) ve üç katmanlı (TL) grafenler pratik öneme sahip olmasına rağmen] ve kristal yapısına bağlıdır. Grafenin tanımlı katmanlarla kontrollü sentezi oldukça önemlidir. Grafenin ilk üretildiği mekanik soyma yöntemi, endüstriyel ölçekte bir üretim için kullanılmamaktadır. GO ve RGO türevleri genellikle çözelti bazlı oksidasyon ve termal ve kimyasal yöntemlerle indirgeme yoluyla sentezlenirken, üstün elektron taşıma özelliklerine sahip grafen katmanları her zaman kimyasal buhar biriktirme (CVD) ve yüzey ayrımı gibi kuru yöntemler kullanılarak sentezlenir. Grafenin % 95'ten fazlası Cu folyo üzerinde büyütülmüş olmasına rağmen, bu büyüme epitaksiyel değildir ve bu nedenle tüm substrat üzerinde tam büyüme önemli bir sorun olmaya devam etmektedir. Ni (III) 'ün yüzeyi, bu yüzeyin grafen ve yüksek yönlendirilmiş pirolitik grafit ile küçük kafes uyumsuzluğundan dolayı yapısal olarak homojen grafenin epitaksiyal büyümesi için en iyi substrat olduğunu kanıtlamıştır. Bununla birlikte, bu yöntem, nikelde karbon çözünürlüğünün dezavantajından muzdariptir ve bu nedenle, substrat boyunca muntazam bir kalınlığa ulaşmak zordur. Bu sorunu çözmek ve Ni film (~100 nm kalınlığında) üzerinde epitaksiyel olarak grafeni büyütmek için basit yüzey ayırma yöntemi kullanılmaktadır. Raman spektroskopisi ve taramalı tünelleme mikroskobu (STM), grafen tabakasının tüm Ni filmi üzerindeki homojenliğini doğrulamak için kullanılmaktadır.

Tek bir atomik grafen tabakası, görünür ışığın

~% 2,3'ünü emer ve absorpsiyonu neredeyse

dalga boyundan bağımsızdır. Bu nedenle,

önemli ölçüde optik olarak aktif olan grafen,

basit yöntemlerle belirli yüzeylerde

gözlemlenebilir. Aslında, bir transmisyon optik

mikroskobunda farklı sayıda katmana sahip

grafen pullarını kolay bir şekilde ayırt etmek

mümkündür.

Grafenin atomik yapısı, Şekilde gösterildiği gibi, transmisyon elektron mikroskobu (TEM) kullanılarak doğrudan gözlemlenebilir.

TEM ile tek tek karbon atomlarını çözmek nispeten kolaydır ve Bernal istiflenmiş ve düzensiz istiflenmiş malzeme arasındaki farklar görülebilir. TEM'de asılı grafen tabakalarından hem grafen kafes görüntüsünün hem de iyi tanımlanmış elektron kırınım modellerinin elde edilebileceği bulunmuştur. Bununla birlikte, tabakalar tam olarak düz değildir, ancak 1 nm'lik bir ölçekte düzlem dışında statik dalgalanmalara sahiptir. Ayrıca, grafen tabakalarının kayma veya katlanma eğilimi olmadığı da bulunmuştur. Dahası, bir grafen şeridinin herhangi bir dış destek olmadan metal bir TEM ızgarasının kenarından yaklaşık 10 mm uzanabildiği bulundu. Bu, grafen tek katmanlarının çok yüksek bir sertliğe sahip olduğunun bir göstergesi olarak kabuledilmektedir.

(a) Bernal olmayan istifleme ve (b) Bernal istifleme (Ölçek çubukları = 5 nm) bölgelerini gösteren CVD

grafenden yüksek çözünürlüklü TEM

görüntüsü. Seçilen alan kırınım desenleri verilir ve farklı alanlardaki katman sayısı belirtilir

G ve 2D/G

'bantlarıyla tam

spektrum gösteren tek tabakalı grafenin

Raman spektrumları (üstte). Tek katmanlı, çift katmanlı, üç

katmanlı ve çok

katmanlı malzemeler

için 2D/G 'bandının

ayrıntıları (altta).

Raman spektroskopisi, grafen tek katmanlarını, çift katmanlarını ve

üç katmanlarını karakterize etmek için özellikle yararlı bir tekniktir,

çünkü oldukça dikkat çekici bir şekilde, Raman spektrumları tek bir

karbon atomu katmanından bile elde edilebilir (bu malzemedeki

güçlü rezonans Raman saçılmasından dolayı). Ayrıca, farklı sayıda

katmana sahip grafen örnekleri, Şekilde görülebileceği gibi, Raman

spektrumlarında önemli farklılıklar göstermektedir. Tek katmanlı

grafen söz konusu olduğunda, G '(veya 2D) Raman bandı, G

bandının iki katı yoğunluğa sahipken, iki katmanlı malzemede G

bandı 2D banttan daha güçlüdür. Ayrıca iki katmanlı grafende 2D

bant daha yüksek dalga sayısına kaydırılır ve 2 katmanlı malzemenin

elektronik yapısındaki rezonans etkilerinden dolayı 4 ayrı banttan

oluşan farklı bir şekle sahiptir. Aslında, birkaç grafen katmanında yığın

sırasını belirlemek için Raman spektroskopisini kullanmak mümkündür

(örneğin, üst üste binen iki ayrı tek katman ile orijinal Bernal

kristalografik yığılmasının korunduğu bir grafen çift katmanı arasında

ayrım yapmak için. Katman sayısı arttıkça, 2D bant daha yüksek

dalga sayısına geçer ve 2D grafit bandına çok benzeyen yaklaşık 5

katmandan daha geniş ve daha asimetrik hale gelir. Şekilde

gösterilen Raman spektrumlarında, normalde kusurların varlığından

dolayı farklı grafitik karbon formlarında bulunan D bandının,

spektrumları elde etmek için mekanik olarak pul pul dökülmüş

grafenin kullanıldığını gösteren mevcut olmadığı belirtilmelidir. Şekil 4

çok yüksek bir mükemmelliğe sahiptir. Bazı CVD malzemeleri gibi

kusurlu veya hasarlı grafen örneklerinde veya küçük pul pul dökülmüş

parçaların kenarlarının yakınında daha belirgin D bantları bulunur.

Bir grafen tek tabakasının

deformasyonu için ölçülmüş (Lee ve diğerleri, 2009) ve

hesaplanmış (Liu, Ming ve Li, 2007) gerilim-

gerinim eğrisi.

Mekanik özellikler Lee ve arkadaşları (2009), bir atomik kuvvet mikroskobunda (AFM) bir silikon substrat üzerinde 1,0 – 1,5 µm çapında delikler üzerinde asılı grafen membranların nano indentasyonu yoluyla tek tabakalı grafenin mekanik özelliklerinin doğrudan belirlenmesini sağladılar. Tek tabakaları optik mikroskopi kullanarak izole ettiler ve Raman spektroskopisi ile tanımladılar. Grafenin mekanik olarak 0,335 nm kalınlığında 2 boyutlu bir zar gibi davrandığını varsayarak kuvvetin girinti derinliği ve türetilmiş gerilim-gerinim eğrileri ile değişimini belirlediler.

Grafenin başarısızlığının, girinti noktasında

başarısızlıkla başlayan büyük yer değiştirmelerde

tek moleküler tabakalı zarın patlamasıyla

meydana geldiği bulundu. Girinti deneylerinin

analizinden türetilen grafen için stres-uzama eğrisi

Şekil 5'te gösterilmektedir. Gerilme-uzama eğrisinin

artan gerilme ile doğrusal olmadığı ve kırılmanın

meydana geldiği görülebilir.

(a) Esnek şeffaf elektronik, dokunmatik ekran. (b) Havacılık alanı. (c) Güneş panelleri. (d) Piller. (e) Aktüatörler. (f) İletken mürekkep, esnek elektrotlar. (g) Gaz sensörleri. (h) Biyosensörler

Grafen ve polimer kompozitleri, yüksek esneklikleri, termal ve elektriksel iletkenlikleri, düşük sıcaklıkta işleme koşulları ve basit fabrikasyon prosesleri nedeniyle elektrolüminesan cihazlarda ve dokunmatik panel cihazlarında kullaanılmaktadır.

Şekilde gösterildiği gibi nanoelektronik

cihazlarda, kimyasal ve biyolojik

sensörlerde, enerji depolama ve

biyomedikal alanlarda ve diğer alanlarda

birçok uygulamaya sahiptirler.

Termal Özellikleri

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.

Bir bal peteği kafesinde hizalanmış sp2-hibritlenmiş

karbon atomlarından oluşan tek atom kalınlığında

benzersiz bir katman olan grafen, olağanüstü elektriksel

iletkenlik, büyük ölçüde optimize edilmiş spesifik yüzey

alanı (2600 m

/g'ye kadar) mekanik mukavemet,

esneklik ve kimyasal kararlılık gibi birçok benzersiz özelliğe

sahiptir. Büyük araştırma çabaları, grafenin birçok

uygulama alanında hayati bir rol oynayabileceğini

doğrulamıştır. Polimerler, fonksiyonel nanokompozitler

oluşturmak ve işlenebilirlik ve yüzey modifikasyonu elde

etmek için sıklıkla grafen malzemelerle karıştırılır. Çok

işlevli özellikler, yakıt pilleri, süperkapasitörler, lityum iyon

piller, güneş pilleri gibi çeşitli enerji dönüştürme ve

depolama sistemlerinin ilerlemesinde grafen-polimer

kompozitleri bol potansiyeller sağlamıştır.

Mükemmel elektrik iletkenliğine, olağanüstü

mekanik özelliklere, bol yüzey işlevselliğine

ve olağanüstü elektrokimyasal özelliklere

sahip grafen-polimer nanokompozitler,

ideal yakıt hücrelerini oluşturmak için umut

verici adaylar olarak araştırılmıştır.

 Yakıt Hücresi

Yakıt hücresi, sensör, mikrodalga emiciler ve fotovoltaikler gibi grafen dolgulu polimerlerin bazı temel uygulamaları tartışılacktır. Bir yakıt hücresi için grafen, oksijen azaltma ve metanol oksidasyonu için bir katalizör desteği görevi görür ve ayrıca hem pencere elektrodu hem de karşı elektrot olarak çalışabilir. Yakıt hücreleri, yüksek güç yoğunlukları ve düşük sera gazı emisyonları nedeniyle makul enerji dönüşümü sağlar. Grafen, ısıl ve mekanik stabilite ve yüksek seçici geçirgenlik gibi ek avantajlar sunarak yakıt hücresi teknolojisinde Nafion membranlara düşük maliyetli alternatifler oluşturmaktadır. Wang vd. polimer / grafen kompozitlerin organik güneş cihazlarındaki etkisini gösterdi. Poli (3,4-etilendioksitiyofen), poli (stiren sülfonat) ve poli (3-heksiltiofen) gibi grafen katkılı iletken polimerler, saf polimer karşı elektrot (% 2.3) ile karşılaştırıldığında % 4.5 daha iyi güç tüketimi verimliliği göstermiştir.

İşlevselleştirilmiş GO'lar benzersiz iyon değişim kapasitesi, fosfat adsorpsiyon kabiliyeti, H₂O₂'nin elektro-kimyasal tespiti, başlangıç ​​potansiyeli, oksijen indirgeme reaksiyonunda elektron transfer sayısı, elektrokemilüminesans aktivitesi, iyi çözünürlük ve stabilite sergiler. Bu tür işlevselleştirilmiş grafenler, düşük nemlendirici polimer elektrolit membranlı yakıt hücrelerini mikrodalga azaltma yöntemi kullanılarak Nafion ile sentezlemek için kullanılmıştır. Yakıt hücresi hızlı başlatma ve yüksek verimlilik sergilemesine rağmen, iyi kimyasal direnç ve yüksek iletkenliğe sahip Nafion'un yüksek maliyeti genellikle yaygın kullanımını sınırlar. Hidrofilik saf GO'nun elektriksel iletkenliği, 10 V'luk bir ön gerilimde 5 × 10⁻³ S/cm'dir ve bir elektronik yalıtkandır. Yüksek gerilme mukavemeti ve esnek poli (etilen oksit) (PEO) kullanan GO bazlı polimer kompozitler yüksek iyonik / protonik iletkenliğe sahiptir. Düşük sıcaklıklarda 20–60

°C'deki yüksek iletkenlik, yakıt hücreleri için düşük sıcaklık membran malzemelerinin üretilmesine yol açar. GO dolgulu PVA bazlı membranların Nafion ile karşılaştırılması, tek odacıklı mikrobiyal yakıt hücrelerinde gelişmiş güç üretimi ve daha yüksek güç yoğunluklarına yol açan membranlarda gelişmiş iletkenlik ve azaltılmış biyolojik kirlilik gibi ilginç özellikler ortaya çıkarmaktadır. GO'nun benzersiz yapısı ve yüksek yüzey alanı, daha fazla proton taşıma kanalı sağlar ve daha fazla su tutar, bu da membranların proton iletkenliğinin ve mekanik özelliklerinin iyileştirilmesi için faydalı olabilir. GO yüklerindeki ve DM'lerin işlevselleştirilmesindeki varyasyonun, membranların mevcut oluşumunu ve biyolojik kirlenmesini etkilediği bulunmuştur. Karbon kumaş üzerine elektrokimyasal olarak biriktirilen grafenin mikrobiyal yakıt hücreleri (MFC'ler) ve polianilin hibritlenmiş üç boyutlu grafen de yapıldı. MFC'lerdeki membran malzemeleri, anolitin katoda ulaşmasını engeller ve aynı zamanda düşük maliyetli, basit konfigürasyonlu ve nispeten yüksek güç yoğunluğuna sahip membransız yakıt hücresinin de umut verici olduğu bulunmuştur.

Bununla birlikte, bir zarın olmaması, oksijen ve substrat difüzyonunu arttırır ve bu nedenle, MFC'yi daha az verimli hale getiren katalitik aktiviteyi azaltır. Ayrıca elektrot aralığı yaklaşık 2–4 cm'dir (kısa devre olasılığı) ve bu durumda tasarım da sınırlıdır. Tüm bu gerçekler, yakıt hücrelerinde membran kullanımını zorunlu kılmaktadır ve bunun için üretim maliyetlerini düşürmek dışında membranın iç direnci ve membrandaki biyolojik kirlilik optimize edilmelidir.

Tasarımın basitleştirilmesiyle üretim maliyetleri düşürülürse, ekonomik olarak uygun membranlı yakıt hücreleri mümkündür. Ek olarak bu kompozit membranlar, yüksek sıcaklıkta ve düşük bağıl nem koşullarında iyi performans gösterirler.

 Fotovoltaik ve Fotodetektörler

Güneş enerjisinin elektriğe dönüşümü genellikle ışık soğurma eksiton üretimi, eksiton difüzyonu, ayrışma ve yük oluşumu ve yük taşıma ve toplama mekanizmaları ile gerçekleşir. Foto uyarımlı elektron çiftinin ayrılması, konjuge polimerlerde bir heterojonksiyon oluşturarak elde edilir.

Polimerden daha büyük elektron ilgisine sahip bir alıcı malzeme ile. Bu heterojonksiyon, sıkı bağlanmış elektron çiftlerini ayrı yüklere ayırmak için itici gücü sağlar. Alıcı malzemenin, kendisine bir elektron aktarmak ve polimer değerlik bandındaki boşluğu tutmak için, konjuge polimerden nispeten daha düşük bir HOMO seviyesine sahip olması gerekir. Düzlemsel heterojonksiyon cihazının verimliliği, eksiton difüzyon uzunluğuna bağlıdır ve grafenin çeşitli polimer kompozitleri, iyi fotovoltaik cihazlar için temel kriterleri karşılar. Grafen bazlı malzemeler, işlem kolaylığı ve esnek substrat uyumluluğu ile yığın heterojonksiyonlu polimer organik fotovoltaik hücreler için pencere elektrotları olarak kullanılır. Direkt döndürerek döküm grafen çözümleri elektrotlar olarak düşük imalat maliyeti ve basit işlem sağlar. Elektriksel olarak iletken grafen elektrotları, spin kaplı işlevselleştirilmiş grafen çözeltisinin kimyasal olarak indirgenmesiyle yapılmıştır. Elde edilen grafen film, UV-Vis spektrumlarında 52 nm'lik artan kırmızı kayma gösterdi ve emilim önemli ölçüde arttı, bu da grafen levhalar içindeki elektronik konjugasyonun restorasyonunu gösterdi. Sırasıyla 300, 500 ve 700 °C sıcaklıklarda kimyasal olarak indirgenmiş grafen filmlerin 550 nm dalga boyunda% 75, 73 ve 69 geçirgenlik verdiği bulunmuştur.

İndirgenmiş malzemenin bu koyulaşması, grafen yapısındaki p-elektron sisteminin kısmi restorasyonundan kaynaklanmaktadır ve bu tür filmler şeffaf iletkenler için uygulama alanı bulur.

İnce bir GO ve rGO filmi, izolasyonlu GO kalınlığına bağlı olarak cihaz performansı ile fotovoltaik üretmek için kullanılır. Çok düşük ışık absorpsiyonu seviyeleri (Beyaz ışığın yaklaşık% 2,7'sinde) grafenin yüksek elektron hareketliliği ile birlikte, fotovoltaik hücrelerin üretiminde pahalı silikon veya ITO'ya bir alternatif sunar. Grafenin avantajı, foton absorpsiyonu sırasında çok sayıda elektron oluşturması ve böylece geleneksel silikon cihazlar için gözlemlenen ısı enerjisi kaybını azaltması gerçeğinde yatmaktadır. Ayrıca grafen tüm dalga boylarında çalışabilir, esnek ve incedir; Giysilerdeki fotovoltaik hücrelerde, retro-montajlı fotovoltaik pencere ekranlarında veya perdelerde vb. uygulanabilir hale getirir. Toplu heterojonksiyonlu bir güneş hücresinde temel gereksinimler, tüm güneş spektrumu üzerinde güçlü ışık absorpsiyonu, yüksek bir açık devre voltajı için donör / alıcının HOMO ve LUMO arasındaki uygun enerjisel mesafeyi ve aktif katman.

 Mikrodalga Emiciler

Mikrodalga emici kumaşlar, EM radyasyonunun kirlenmesini önler ve askeri alanda yaygın olarak uygulanır. Mikrodalga emici malzemeler elektromanyetik dalgaları emer ve onu diğer enerji biçimlerine dönüştürerek dağıtır. Genel olarak dielektrik kayıp, manyetik kayıp ve empedans eşleştirme özellikleri elektromanyetik soğurma özelliğini etkiler ve bu tür dielektrik veya manyetik malzemeler sıklıkla dahil edilir.

Grafenin manyetik olmayan doğası

nedeniyle, manyetik parçacıklar, onu iyi bir

mikrodalga emici yapmak için ona katılır.

 Sensörler

Grafenin üstün elektriksel iletkenliği, algılama teknolojisinde kullanımına katkıda bulunan en önemli faktördür. Bir sensör, fiziksel özellikteki değişiklikleri algılar ve değişiklikleri ölçülebilir sinyal yanıtlarına dönüştürür (direnç, kapasite vb.).

Önceden gerilmiş polimer substrata grafen şeritleri

uygulayarak oldukça hassas sensörler üretmek için

eşit olarak dağıtılmış bir grafen nano malzeme

oluşturulur. Burada sensör, dalgacıklar fiziksel

değişim tarafından rahatsız edildiğinde

dalgacıklarda meydana gelen elektron saçılması

nedeniyle grafenin tabaka direncindeki artışa

dayanarak çalışır. Tek tabakalı grafen, adsorbe

edilmiş molekül ve grafen arasındaki yük

transferinin kimyasal tepkiyi düzenlediği gazları ve

biyomolekülleri algılamada mükemmel bir kullanım

bulur.

Arka kapılı grafen cihazlarının SEM görüntüleri

(solda). Farklı buharlar, aynı grafen transistör

(sağda) ile farklı karakteristik frekanslarda

tepkileri.

N2 taşıyıcı gazda seyreltilmiş algılama gazı X'in grafenin direnç değişimi ölçülürken SiC üzerinde grafen üzerinde aktığı algılama deneyinin

şematik gösterimi, AFM faz görüntüsü tek katmanlı grafen alanlarını (karanlık) ve çift katmanı gösterir. terasların üstünde grafen alanlar

(parlak). 150 ° C'de tavlama sırasında saf N2, 100 ppb NO2 (EG için), 40

ppb NO2 (QFEG için), 300 ppm NH3 ve 3.000 ppm CO'ya maruz kalan

epitaksiyel grafen (EG) ve interkalasyonlu epitaksiyel grafenin kimyasal

dirençli gaz sensörleri.

(a) fotoğraf. (b) Gözenekli nikel köpük üzerinde CVD yöntemi ile büyütülen mikro gözenekli 3B

birbirine bağlı grafenin SEM görüntüsü. (c) değişiklik

farklı konsantrasyonlarda NH3 ve d NO2'nin gerçek

zamanlı tespitini gösteren direnç zaman grafikleri.

Şekil (a) mürekkep püskürtmeli baskı rGO / PET dört problu

sensörün dijital görüntüsü. (b) Film 6 ila 75 ppm arasında değişen

farklı konsantrasyonlarda bir Cl2 buharına maruz bırakıldığında

dağılmış GO'nun askorbik asit indirgemesi ve (c) seçiciliği ile elde

edilen mürekkep püskürtmeli baskılı rGO / PET ile buhar algılama

Sensörün doymuş organik buharlara, NH3 (100 ppm), NO2 (100

ppm) ve Cl2 (100 ppm) karşı cevapları.

Şekil, farklı polimerlerle grafene dayalı

biyosensörlerin gelişimini göstermektedir.

 Ferroelektrikler

Grafen bazlı ferroelektrik sistemler benzersiz ferroelektrik polarizasyon yeteneğine

sahiptirler. Bu tür malzemeler, eski uçucu olmayan belleklerde, şeffaf esnek

elektrotlarda, güneş pillerinde,

fotodetektörlerde vb. alanlarda potansiyel

uygulamalara sahiptirler.

Özetle, grafen ve polimer grafen kompoziti, çeşitli işlevleri tek bir malzemede birleştirir ve bu nedenle çok çeşitli teknolojik cihazlarda uygulanabilir.

Bununla birlikte, bazı noktalar elektronikteki uygulamalarını kısıtlamaktadır ve bu teknik zorluklar aşağıda özetlenmiştir.

1. CVD, grafen katmanlarının toplu üretimini mümkün kılmasına rağmen, maliyet ve kalitenin normalize edilmesi gerekir. Grafen bazlı elektronik ve tüketici ürünlerinin uygulanması, esas olarak uygun maliyetli üretim sürecinde ve grafenin elektriksel özelliklerinde aşındırma ve kontrol sırasında hasarların azaltılmasında yatmaktadır.

2. Grafenin istisnai özellikleri elektronikte silikonun yerini alsa da, transistörlerdeki uygulamaları gerçekleştirmek için doğal yarı metal karakteristiğinin değiştirilmesi gerekir. Bununla birlikte, kimyasal ve termal modifikasyon, kimyasal reaktivitesinin yanı sıra elektriksel ve mekanik özelliklerini de düşürür.

3. Grafen ve türevleriyle ilişkili sağlık riskinin, toksisite ve biyouyumluluğun araştırılması yoluyla değerlendirilmesi gerekir.

4. Tek tek grafen trombositlerinin kompozit, homojen dağılımını imal etmek için, bunların oryantasyonu, bağlanabilirliği ve matris ile arayüz bağlanması hala daha fazla araştırma gerektirmektedir.

5. Destek malzemesinden bağımsız, saf grafenin basit bir tespit yöntemi geliştirmek için daha fazla araştırmaya ihtiyaç vardır.

6. Her uygulama alanında mevcut olan çeşitli zorluklar çözülmelidir. Örneğin, elektrokimyasal algılama dikkate alındığında, bu alanda iyi tanımlanmış grafen kullanarak yüksek algılama hassasiyetine sahip güvenilir, tekrarlanabilir ve düşük maliyetli sensörler üretmeye acil bir ihtiyaç vardır.