Hier erfahren Sie, was Sie über die Graphen-Nanotechnologie wissen müssen

Von Kartik Hajela • 6. September 2019

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Graphen besteht aus einer einzigen Schicht von Kohlenstoffatomen und ist dennoch stärker als Stahl, verfügt über eine außergewöhnliche elektrische und thermische Leitfähigkeit, ist vielseitig, anpassbar und bietet außergewöhnliche Einsatzmöglichkeiten. Seit Graphen vor einem Jahrzehnt ins Rampenlicht gerückt ist, stößt es bei seiner groß angelegten Kommerzialisierung auf große Hindernisse.

Wie funktioniert Graphen in Metallhilfsbatterien?

Die elektrische Revolution, die wir heute erleben, ist größtenteils auf bedeutende Fortschritte in der Lithium-Ionen-Batterietechnologie zurückzuführen. Die großflächige Einführung weist jedoch mehrere Engpässe auf, wie z. B. begrenzte Energiedichte, Konzentration von Lithiumerzen an bestimmten Standorten und gefährliche Abfälle, die bei der Entsorgung von Batterien entstehen. Metall-Luft-Batterien bieten eine nachhaltige und effiziente Lösung für die großflächige Einführung von Elektrofahrzeugen. Die Metall-Luft-Batterien verwenden ein Metall als Anode, Luft (Sauerstoff) als Kathode und Wasser als Elektrolyt. In der Luftkathode der Batterien kommt ein Graphenstab zum Einsatz. Da Sauerstoff als Kathode verwendet werden muss, muss das Kathodenmaterial porös sein, um die Luft durchzulassen, eine Eigenschaft, die Graphen besonders hervorhebt. Das in der Elektrode verwendete Graphen kann die Batterieeffizienz bei einem Drittel der Kosten um das Fünffache steigern.

Wozu dient Graphen in Öl-Sorption-Pads?

Das Öl-Sorptionspad LSP20 verwendet Graphen als absorbierendes Material. Die poröse Struktur von Graphen ist für die hohe Absorptionsfähigkeit des Pads verantwortlich. Das Pad ist extrem leicht und verfügt über eine sehr hohe Saugfähigkeit, was es zu einer kostengünstigen und nachhaltigen Lösung für die Ölverschmutzungsindustrie macht.

Laut dem von der Niti Aayog im Jahr 2018 veröffentlichten Composite Water Management Index (CWMI)-Bericht kämpfen 21 Großstädte darum, bis 2020 den Grundwasserspiegel auf Null zu senken, was den Zugang von 100 Millionen Menschen beeinträchtigt. Diese akute Wasserkrise betrifft jedoch die Süßwasserreserven. Während die Ressource Wasser in Form von Meerwasser reichlich vorhanden ist, sind die derzeitigen Entsalzungsmethoden äußerst ineffizient und verbrauchen große Mengen fossiler Brennstoffe.

Unter den zahlreichen bemerkenswerten Eigenschaften von Graphen ist seine Hydrophobie wahrscheinlich eine der nützlichsten Eigenschaften für die Wasseraufbereitung. Graphen weist von Natur aus Wasser ab, aber wenn darin enge Poren gebildet werden, ist eine schnelle Wasserpermeation möglich. Dies löste Ideen hinsichtlich der Verwendung von Graphen zur Wasserfiltration und -entsalzung aus, insbesondere nachdem die Technologie zur Herstellung dieser Mikroporen entwickelt wurde. Graphenblätter (perforiert mit Miniaturlöchern) werden als Methode zur Wasserfiltration untersucht, da sie in der Lage sind, Wassermoleküle durchzulassen, aber den Durchgang von Verunreinigungen und Substanzen zu blockieren. Das geringe Gewicht und die geringe Größe von Graphen können dazu beitragen, eine leichte, energieeffiziente und umweltfreundliche Generation von Wasserfiltern und Entsalzungsgeräten herzustellen.

Die Zukunft von Graphen

Allerdings erleben 12 Prozent der indischen Bevölkerung aufgrund übermäßiger Grundwasserförderung, eines ineffizienten und verschwenderischen Wassermanagementsystems und jahrelanger unzureichender Regenfälle bereits das Szenario „Tag Null“. Im CWMI-Bericht heißt es außerdem, dass der Wasserbedarf des Landes bis 2030 voraussichtlich doppelt so hoch sein wird wie das verfügbare Angebot, was für Hunderte Millionen Menschen schwere Wasserknappheit und letztendlich einen Rückgang des BIP des Landes um sechs Prozent bedeuten würde.

Die Luftfiltration ist ein weiterer wichtiger Sektor, in dem die Eigenschaften von Graphen zur Entwicklung effizienter und effektiver Produkte führen können. Die aktuellen Technologien zur Luftreinigung nutzen Adsorption und Filtration. Wenn das Adsorptionsmaterial jedoch die Sättigungsgrenze erreicht, muss es ersetzt werden. Graphen-Nanokomposite bieten hervorragende Adsorptions- und Filtereigenschaften und sind somit ein effektiver Luftfilter.