Materiali innovativi basati sul grafene
Un diffuso entusiasmo relativo alle applicazioni del grafene nel settore industriale è stato smorzato dalle strozzature legate a costo elevato, scalabilità e qualità. Sono state testate varie metodologie, che lasciano però dei difetti nel materiale risultante oppure hanno una resa limitata. Di conseguenza, vi è una pressante esigenza di produrre grafene di alta qualità con innovative funzionalità e su larga scala. Il pacchetto di lavoro Schiume e rivestimenti funzionali, guidato dal prof. Xinliang Feng dell’Università tecnica di Dresda in Germania, si concentra sulla lavorazione chimica e sulle applicazioni funzionali del grafene e dei materiali affini al grafene (GRM, Graphene-Related Material). «Intendiamo creare strutture porose, quali ad esempio schiume e membrane, principalmente per la filtrazione, e film sottili funzionali per varie applicazioni», spiega il dott. Martin Lohe, leader del gruppo per l’innovazione e l’industria all’Università di Dresda. Portare su scala industriale la produzione del grafene I ricercatori hanno sviluppato con successo un processo di produzione del grafene in laboratorio basato sull’esfoliazione elettrochimica, che genera grafene di alta qualità con una resa notevolmente maggiore. Questo processo prevede l’uso di un elettrolita e di una corrente elettrica che porta all’espansione strutturale nel giro di minuti o di ore in condizioni ambientali. L’esfoliazione elettrochimica è inoltre rispettosa dell’ambiente e può essere adattata alle risorse naturali di carbonio. Il vantaggio più significativo di questo metodo è che permette di produrre grafene con proprietà modulabili semplicemente cambiando il materiale di partenza e le condizioni del processo. Di conseguenza, il grafene può essere fatto su misura, a seconda della specifica applicazione. Gli scienziati hanno dovuto superare alcuni ostacoli, associati principalmente alla tendenza del grafene di alta qualità a ricompattarsi. Per affrontare questo problema hanno usato degli agenti funzionalizzanti, che hanno portato a ottenere un grafene altamente conduttivo ma anche disperdibile in acqua. Allo stesso tempo, questo approccio ha aumentato la resa e la stabilità del materiale. Applicazioni innovative del grafene La funzionalizzazione del grafene lo rende adatto per un’ampia gamma di applicazioni, quali ad esempio fotocatalisi al chiuso e all’aperto, desalinazione e depurazione, stoccaggio dell'energia e sensori chimici. I partner del pacchetto di lavoro Schiume e rivestimenti funzionali hanno prodotto inchiostri al grafene utilizzati in sensori totalmente stampati e dispositivi per lo stoccaggio dell'energia. Le applicazioni innovative dei GRM nell’ambito della Graphene Flagship includono strategie di depurazione dell’acqua quali filtrazione e desalinazione. Quest'ultima offre prospettive promettenti per una produzione sostenibile ed efficiente, in termini di consumo energetico e costi, di acqua pulita a partire da acque salmastre e di mare. I GRM sono inoltre adatti per essere usati in sistemi catalitici per la produzione di idrogeno e sotto forma di schiume per scopi legati all’illuminazione e come elementi a riscaldamento veloce. Ma soprattutto, il grafene viene utilizzato anche per potenziare la capacità dell’ossido di titanio di degradare alcuni inquinanti. Materiali compositi grafene-cemento con ossido di titanio possono essere utilizzati come rivestimenti fotocatalitici negli edifici intelligenti che sono in grado di pulire l’aria nelle nostre città ed eliminare gli inquinanti dell’acqua. I numerosi risultati scientifici del pacchetto di lavoro sono evidenziati dal numero di domande di brevetto, premi e pubblicazioni scientifiche. Vale la pena sottolineare le 25 attuali collaborazioni con partner industriali e le due imprese spin-off che sono emerse, che hanno promosso dal punto di vista commerciale le metodologie di produzione e i prodotti basati sul grafene. Inoltre, i risultati e i materiali nanocompositi prodotti in questo pacchetto di lavoro sono condivisi con altre parti dell’iniziativa Graphene Flagship, per essere usati in dispositivi da lavoro quali componenti elettronici stampati, sensori, combustibile e celle solari. Ciò farà progredire ulteriormente le applicazioni del grafene, oltre le tecnologie attuali. Commentando l’esfoliazione elettrochimica e la funzionalizzazione della grafite, il prof. Feng è sicuro che «aiuteranno a colmare il divario tra scienza dei materiali e applicazioni pratiche».
Paesi
Svezia