مقاله ژل ها و انرژی؛ بخش اول: ژل های مبتنی بر کربن

امروزه سیستم های تبدیل انرژی و ذخیره سازی با بازدهی بالا، به دلیل افزایش تقاضا برای انرژی پاک و وجود بحران هایی از قبیل انرژی و آلودگی محیط زیست توجه زیادی را در سراسر جهان به خود جلب کرده‌اند. تحقیقات در زمینه ی بهبود عملکرد دستگاه های انرژی، به دو بخش اصلیِ اختراع مواد جدید، و کنترل دقیق ساختار آن ها مربوط تقسیم می شود، که نانومواد کاربرد موفقیت آمیزی در هر دو بخش داشته است. مواد نانوساختار ساده، مانند ذرات صفربعدی، نانوسیم های یک بعدی و نانوذرات دو بعدی با مشکلاتی مانند تجمع غیریکنواخت، بازانباشتگی شدید و ایجاد محدودیت ها و تماس های ضعیف در طول پردازش و مونتاژ، مانع انتقال الکترون ها یا یون ها در دستگاه های انرژی می شوند. برای حل مشکلات نانومواد کم بعد، مفهوم به کار بردن نانومواد کم ‌‌‏بعد در معماری‌های سه بعدی ماکروسکوپی در کاربردهای انرژی معرفی شده است. بنابراین نه تنها خواص نانومواد را که به واسطه ی ابعاد محدود آن ها به دست می آید، در بر می گیرند، بلکه ویژگی های جدیدی هم دارند که از ترکیب ماده ای با واکنش سطحی بالا با بستری دارای مسیرهای انتقال مولکولی به سطح به وجود آمده اند. در میان ساختار های مختلف سه بعدی ماکروسکوپی، ژل ها به دلیل ویژگی های شیمیایی، میکروساختاری و مکانیکی منحصربه‌فردشان، گزینه ی مناسبی برای کاربردهای حوزه ی انرژی هستند.

ژل‌ها به عنوان شبکه هایی تعریف شده اند که می توانند نرم و ضعیف یا سخت و محکم باشند. ژل ها، و به ویژه هیدروژل ها، عمدتا شامل زنجیرهای پلیمری همگن و یا غیرهمگن می باشند که از طریق پیوندهای فیزیکی شیمیایی به یکدیگر متصل شده اند. ژل های فیزیکی شبکه هایی هستند که از پیوندهای غیرکووالانسی به وجود آمده اند. این ژل ها معمولا اتصال منطقه ای را به اتصال نقطه به نقطه ترجیح می دهند، چون زنجیره های پلیمری مجزا در یک طول مشخصی تعامل دارند. تعاملات متداول عبارتند از تعاملات آبگریز، تعاملات باری و پیوند های هیدروژنی. هنگامی که اتصالات به طور ذاتی کووالانسی هستند، بنابراین ژل های شکل گرفته می تواند به عنوان ژل های شیمیایی تلقی شوند که به واسطه پیوندهای کووالانسیشان پایداری مکانیکی بیشتری دارند. روش های پیوند شیمیایی شامل پلیمریزاسیون رادیکالی، واکنش شیمیایی گروه های مکمل، تابش های با انرژی بالا و استفاده از دیگر عوامل اتصال دهنده  است. با توسعه شیمیایی ژل ها و فناوری های ساخت آن ها، واحد های سازنده ی ژل ها دیگر محدود به زنجیره های پلیمری نیستند. مواد مختلف، از جمله مولکول‌های آلی بزرگ، نانومواد بر پایه کربن، فلزات و سایر ترکیبات معدنی، می توانند با استفاده از روش هایی مانند خودآرایی، استفاده از پیوندهای متقابل و روش های الگومحور، شبکه های سه بعدی بسازند. واحد های سازنده ی ژل ها می توانند صفر بعدی یک بعدی و یا دو بعدی باشند؛ مانند نقاط کوانتومی، نانوسیم ها و نانوصفحه ها. این ژل ها از طریق پیوند های فیزیکی یا شیمیایی بین خود واحد های سازنده و یا بین واحدهای سازنده و یا بین واحدهای سازنده و عوامل پیوند شکل می گیرند. نیروهای کولمب، تعاملات π-π، پیوند‌های هیدروژنی، تعاملات هیدروفوبیکی و پیوندهای کووالانسی، معمول ترین نیروهای مورد استفاده در ساخت ژل ها هستند.

ژل ها، به ویژه هیدروژل ها، به طور گسترده در حوزه های زیستی مانند مهندسی  بافت، دارورسانی کنترل شده، توسعه حسگرهای پزشکی و زیستی و تصویربرداری تشخیصی مورد استفاده قرار گرفته اند. کاربرد موفقیت آمیز ژل ها به ویژگی های ساختارهای شیمیایی و فیزیکی آن ها مرتبط است. شبکه‌های ژل حلال های خوبی هستند اما به علت اتصالات ذاتیشان حل کننده های خوبی نیستند. حلال ها می توانند بین زنجیره ها نفوذ کنند و خواص مکانیکی ژل ها را تغییر دهند. ژل ها ویژگی هایی مانند سطح مقطع بزرگ و زیست سازگاری دارند، بنابراین اجزای زیستی فعال مانند آنزیم ها و سلول ها از طریق پیوند های فیزیکی یا شیمیایی، برای تولید مواد ترکیبی، در این شبکه ها قرار می گیرند. علاوه‌بر این، ساختار مولکولی و مورفولوژی ژل ها را می توان دقیقا کنترل کرد، در نتیجه خواص شیمیایی و مکانیکی ژل ها به راحتی قابل تنظیم خواهد بود. در نهایت، شبکه های ژل می توانند به صورت هوشمندانه و از طریق تحریک مولکولی، با محیط خود تعامل برقرار کنند. ژل های مختلفی ساخته شده اند که قادر به سنجش و پاسخ به محرک های خارجی مختلف مانند pH، نور، تنش های مکانیکی و دما را هستند.

این ویژگی های ژل ها همان‌طور که در کاربرد های زیستی جذاب هستند، در دستگاه های تبدیل و ذخیره سازی انرژی هم جذابیت دارند. ژل ها چندین مزیت مهم ارائه می دهند: 1. انتقال الکترون ها و یون ها در دستگاه های انرژی. شبکه سه بعدی ژل می‌تواند انتقال الکترون ها را در امتداد مسیر اصلی تسهیل کند و موجب انتشار یون ها از طریق منافذ سلسله مراتبی شود. ساختار شبکه همچنین می تواند اثرات تعاملات قوی مانند π-π را که می توانند منجر به انباشته شدن مواد شود، و تغییرات حجمی را که در طی واکنش رخ می‌دهد، کاهش دهد؛ که   باعث کاهش آسیب به مسیرهای حمل و نقل می شود. 2. تبدیل و ذخیره‌سازی انرژی شامل تعاملات فیزیکی و/ یا شیمیایی در سطوح و محل اتصال ها؛ بنابراین سطح مقطع و شیمی سطح یک ماده نقش بسیار مهمی در این فرآیند دارند. ژل ها سطح مقطع اصلاح شده ای دارند، که می تواند تعداد زیادی از سایت های فعال را برای واکنش فراهم کند و سطوح آن ها می تواند از نظر شیمیایی اصلاح شود. 3. مواد ترکیبی نقش مهمی در سیستم های انرژی با بازدهی بالا دارند. ژل ها یک زمینه ی عالی برای توسعه مواد ترکیبی مختلف هستند، زیرا شبکه ی متصل ژل به عنوان یک چارچوب برای محافظت از دیگر مواد فعال عمل می کند و ساختار متخلخل آن امکان ایجاد یک شبکه دوم را می دهد. طبیعت آبگریز هیدروژل ها آن ها زیست سازگار می کند. 4. ژل ها دارای خواص مکانیکی قابل تنظیم هستند، از جمله قدرت قابل تنظیم و انعطاف پذیری بالا که باعث توسعه دستگاه های انعطاف‌پذیر و قابل کشش می شود. 5. در نهایت، خواص شیمیایی، مکانیکی و الکتروشیمیایی ژل ها با استفاده از اتصالات مختلف کاربردی و اصلاح های شیمیایی قابل تنظیم است، به این ترتیب می توان کاربرد و عملکرد آن ها را بهبود بخشید. در دهه های گذشته پیشرفت های زیادی در توسعهی ژل ها برای کاربردهای انرژی صورت گرفته است و چندین مقاله گردآوری با موضوع ژل های بر پایه ی کربن، ژل های پلیمری رسانا و الکترولیت ژل ها نگارش شده است. اما، با این وجود، خلاصه ای از ویژگی های شیمیایی و ساختار فیزیکی مشترک ژل ها و بحث درباره ی رابطه ی بین خواص ژل و عملکرد دستگاه های انرژی مورد نیاز است. در این بررسی، یک تصویر کامل از ژل های پیشرفته ای که برای کاربردهای انرژی در دسترس هستند، ارائه شده است و ژل های رسانای الکتریکی متعددی، از جمله ژل های بر پایه ی کربن، ژل های پلیمر رسانا، و همچنین ژل های هدایت یونی بررسی شده اند. روش های سنتز کلی برای این ژل ها آورده شده است و کاربرد آن ها در دستگاه های تبدیل و ذخیره انرژی، مانند باتری‌های یون لیتیوم، ابررایانه ها، کاتالیزور ها و سلول های سوختی مورد بحث قرار گرفته است. همچنین چشم‌اندازی از پیشرفت های آینده ی مواد ژل در زمینه های مرتبط با انرژی ارائه شده است.

نانومواد مختلف بر پایه کربن ، از جمله نانولوله‌های کربنی، فیبرهای کربنی و گرافن، به طور موفقیت آمیز به ژل‌هایی با شبکه های سه بعدی تبدیل شده اند و مقالات متعددی بررسی جامعی در مورد این ژل های بر پایه ی کربن ارائه کرده اند. نانولوله ها کلاس معمولی از مواد کربنی هستند که برای ساخت سازه های سه بعدی مورد استفاده قرار می گیرد. ژل های بر پایه ی نانولوله های کربنی را می توان از سوسپانسیون نانولوله های کربنی که با اصلاح شیمیایی یا افزودن سورفکتانت ها از طریق روش هایی مانند خودآرایی، خشک کردن در نقطه ی بحرانی و خشک کردن انجمادی، تهیه کرد. تعاملات فیزیکی بین نانولوله ها نیرو های اصلی برای تشکیل ژل هستند. به عنوان مثال، یود و همکارانش سوسپانسیون های آبی نانولوله های کربنی را با سورفکتانت سدیم دودسیل بنزن سولفونات تهیه کردند و با روش خشک کردن در نقطه ی بحرانی، به گروهی از آیروژل ها دست یافتند. با اضافه کردن پلیمرهای PVA به این ژل ها می توان به مقاومت و استحکام مکانیکی بیشتر دست پیدا کرد. علاوه‌بر روش های مبتنی بر محلول، ژل های بر پایه ی نانولوله های کربنی می توانند به‌وسیله‌ی رسوب دهی شیمیایی بخار تهیه شوند که در آن چگالی و ریزساختار ژل ها را می توان با تنظیم سرعت تزریق منبع کربن یا افزودن حلال ها کنترل کرد. ژل های برپایه ی نانولوله های کربنی دارای چگالی کم، تخلخل بالا و سطح موثر وسیع هستند، بنابراین کاربردهای گسترده ای از قبیل مواد عایق حرارتی و صوتی، کاتالیست ها و دستگاه های ذخیره ی انرژی می توان برای این ژل ها در نظر گرفت.

در مقایسه با ژل های بر پایه ی نانولوله های کربنی، ژل های سه بعدی بر پایه ی گرافن و گرافن اکسید ویژگی های مشابهی مانند هدایت الکتریکی بالا، هدایت حرارتی بالا و سطح موثر بالا دارند. این ژل ها همچنین دارای مزایایی از جمله قابلیت ژل سازی بهتر، روش آماده سازی آسان و خصوصیات الاستیکی بهتر هستند که اتصال الکتریکی بهتری بین الکترودهای ژل و جمع کننده ی جریان در دستگاه‌های تولید و ذخیره انرژی به وجود می آورند. به این ترتیب گرافن و گرافن اکسید بیشتر به عنوان مواد سازنده ی ژل ها مورد مطالعه قرار گرفته اند و ژل های مشتق از این مواد به طور گسترده ای در کاربرد های انرژی مورد استفاده قرار گرفته اند. بنابراین، در این بررسی، بر روی ژل های بر پایه ی گرافن تمرکز شده است.

زمانی که امکان به دست آوردن گرافن با لایه برداری به کمک نوار اسکاچ در سال 2004 فراهم شد، این تک صفحه های دو بعدی کربن با شبکه های شش ضلعی شدیدا مورد مطالعه قرار گرفتند. با توجه به مزایای فوق العاده  از قبیل مساحت سطح بالا، مدول یانگ بالا، هدایت گرمایی بالا، هدایت الکتریکی بالا و پایداری شیمیایی عالی، مواد بر پایه ی گرافن، در زمینه های مختلفی از جمله تبدیل و ذخیره سازی انرژی، کاتالیزور ها، الکترونیک، دستگاه های زیست پزشکی و کامپوزیت های جدید کاربرد دارند.

با این حال، عملکرد ورق‌های گرافن نیز به‌وسیله‌ی برخی از مشکلات ذاتی محدود شده است، به ویژه هنگامی که از آن‌ها در دستگاه‌های الکتروشیمیایی استفاده می‌شود. به عنوان مثال، ورق‌های گرافن تمایل دارند در طی آماده‌سازی به هم متصل شوند، که مانع انتشار الکترولیت‌ها می‌شود. گرافن همچنین چگالی انباشتگی پایینی دارد. برای غلبه بر این معایب، مواد ژل‌های بر پایه ی گرافن با ساختارهای شبکه سه بعدی توسعه پیدا کرده‌اند. این ساختارها با داشتن منافذ سلسله مراتبی، و سطح موثر بالا، مقاومت بالا و هدایت در چگالی کم، انتقال الکترون‌ها و یون‌ها در دستگاه‌های الکتروشیمیایی تبدیل و ذخیره‌سازی انرژی را تسهیل می‌کنند. مقالات متعددی به بررسی جامع سنتز و کاربرد عمومی ژل‌های بر پایه ی گرافن پرداخته‌اند. در این بخش، کاربردهای این ژل‌ها در زمینه ی تبدیل و ذخیره‌سازی انرژی معرفی شده و پیشرفت‌های اخیر ژل‌های بر پایه ی گرافن آورده شده است.

خودآرایی روشی قدرتمند برای ساخت ساختارهای ماکروسکوپی از بلوک ها در ابعاد نانو یا مولکولی است. بدین ترتیب مواد ساخته شده معمولا خواص منحصربه‌فردی به واسطه ی بلوک های سازنده در ابعاد نانو دارند و از طرفی ویژگی های جدیدی به دلیل ساختارهای جدید به کار گرفته شده دارند. ژل های بر پایه ی گرافن و گرافن اکسید با ساختار های دو بعدی منحصربه‌فرد، بلوک های تطبیق پذیری برای خود آرایی مواد بر پایه ی کربن کارآمد، به خصوص هیدروژل‌های سه بعدی یا آیروژل‌ها هستند. ژل‌های گرافن و گرافن اکسید ساخته شده به روش خودآرایی خواص مکانیکی و الکتریکی بهتری را در مقایسه با ژل‌های مشابه ساخته شده با استفاده از پیوند ها نشان می دهند، زیرا با استفاده از تعاملات فیزیکی نسبتا ضعیف ساخته می شوند. نیرو های محرکه مختلف برای خودآرایی ژل های بر پایه ی گرافن استفاده شده اند، که از آن جمله می توان به نیروهای واندروالاس، پیوند های هیدروژنی، پیوند های π-π و تعاملات درجریان اشاره کرد. هیدروژل های گرافن را می توان با فرآیند هیدروترمال یک مرحله ای (شکل 2A و 2B) خودآرایی کرد. این خودآرایی حاصل تعاملات π-π و تعاملات آبگریز بین ورق های گرافن در هنگام کاهش هیدروترمال است. بر خلاف مولکول های کوچک و ماکرومولکول ها، ورق های گرافن با ساختارهای بزرگ و در هم آمیخته، می توانند تعداد زیادی تعاملات π-π با پیوند های قوی تشکیل دهند. این پیوند ها به همپوشانی ورق های گرافن انعطاف پذیر کمک می کنند و به این ترتیب خواص مکانیکی و الکتریکی هیدروژل گرافن حاصل بهبود می یابد. این هیدروژل با محتوای آب حدود 97% می تواند مدول الاستیک فشاری300 KPa و هدایت 5 mS/cm داشته باشد. به همین ترتیب، ورق‌های گرافن اکسید نیز می توانند در فرآیند اسیدی شدن از طریق گروه های عاملی بر روی ورق ها، خودآرایی شوند. اسیدی شدن گرافن اکسید باعث دافعه ی الکترواستاتیک می‌شود و منجر به تشکیل یک لخته ی گرافن اکسید می شود. علاوه‌بر این، ابعاد بزرگ ورق های گرافن اکسید به طور قابل توجهی توانایی ژل شدن آن ها را افزایش می دهد. یکی از روش‌های تولید ژل ها، استفاده از فرآیند تبخیر گریز از مرکز است. در طی فرآیند تبخیر گریز از مرکز، ورق های گرافن اکسید در سوسپانسیون های آبی خودآرایی شده و با کنترل دمای محفظه ی خلا آیروژل های متصل یا فیلم های چند لایه تشکیل می شوند.

مونتاژ صفحات گرافن و گرافن اکسید می تواند با اضافه کردن یک مولفه دوم به سوسپانسیون و ایجاد تعاملات مختلف صورت پذیرد. پس از افزودن جز ژل کننده مانند پلیمرها، مولکول های کوچک، یون های فلزی یا زیست مولکول ها، این مواد، در نقش اتصال دهنده های شیمیایی یا فیزیکی عمل می کنند که در نهایت، تشکیل یک ساختار سه بعدی را می دهند و موادی با قابلیت های منحصربه‌فرد می سازند.

پلیمرها، از ژل های مورد استفاده برای سنتز ژل های بر پایه ی گرافن هستند. تأثیر مثبت پلیمر هایی مانند پلی وینیل الکل (PVA) ، پلی اتیلن اکسید (PEO) ، هیدروکسی پروپیل سلولز (HPC) و پلی  (وینیل پیرولیدون) (PVP) بر روی ژل های گرافن اکسید به اثبات رسیده است. فقط مقدار کمی از این پلیمرها برای ژل سازی مورد نیاز است زیرا می توانند به عنوان دهنده یا گیرنده ی پیوند هیدروژنی عمل کنند، و به این ترتیب یک مسیر اضافی برای برقراری پیوند هیدروژنی با ورق های گرافن اکسید مجاور فراهم می شود. اضافه کردن پلیمرهای متصل کننده می تواند فاصله ی بین صفحه ای ورق های گرافن اکسید را افزایش دهد، و در نتیجه از انباشته شدن آن ها جلوگیری کرده و عملکرد الکتروشیمیایی مواد حاصل را بهبود بخشد. مهمتر از همه، این روش امکان تنظیم خواص مکانیکی و الکتریکی ژل گرافن را با کنترل وزن مولکولی اتصالات پلیمری فراهم می کند، زیرا یک زنجیره پلیمری طولانی‌ترمی تواند پیوندهای هیدروژنی بیشتری با ورق گرافن اکسید ایجاد کند و از طرفی می تواند به بیش از یک ورق گرافن اکسید متصل شود. علاوه‌بر پیوند هیدروژنی، تعامل الکترواستاتیک نیروی محرکه ژل سازی دیگری است که می تواند به‌وسیله‌ی اتصال دهنده های پلیمری ایجاد شود.

در یک روش از پلی دی متیل دی آلیل آمونیوم کلرید (PDDA) پلی‌اتیلن‌ایمین (PEI) با گروه های آمینوی پروتون دار شده برای ژل کردن گرافن اکسید استفاده شده است. با توجه به محدوده طولانی و مقاومت بالای الکترواستاتیک آن ها، مقدار کمی اتصال دهنده ی پلیمری برای ساخت ژل های گرافن مورد نیاز است، بنابراین منجر به اثرات منفی جزئی بر خواص گرافن می شود.

مولکول‌های کوچک می توانند از طریق اصلاح سطح موجب پایدارسازی سوسپانسیون گرافن شده، و از طرفی با ایجاد تعاملات بین مولکولی باعث شکل گیری شبکه های گرافنی می شوند.

هیدروژل های سوپرامولکولی مبتنی بر گرافن اکسید از دی پپتید های مصنوعی، اسیدهای آمینه و نوکلئوزید ها که به عنوان عامل های اتصال دهنده ی فیزیکی در هیدروژل عمل می کردند، تولید شده اند. همچنین مجموعه ای از مولکول های آمفیفیلیک (دو محیط دوست) سنتز شده اند که دارای یک گروه کربوهیدرات قطبی متصل به یک گروه پیرین غیرقطبی هستند و از آن ها برای ساخت شبکه های ژل گرافن اکسید از طریق خودآرایی استفاده می شود. با تنظیم ساختار مولکولی ژل کننده ها، ژل سازی را می توان در هر دو محلول های آبی و آلی انجام داد. تعاملات π-π بین گروه های پیرین و سطح گرافن اکسید، و بین پیوند‌های هیدروژنی موجود در گروه های  OH و CO-NH در مولکول‌های ژل کننده و گروه‌هایOH و COOH در سطح گرافن اکسید به فرآیند خودآرایی کمک می کنند و موجب استحکام بیشتر ژل و تقویت ساختار های بین مولکولی می شوند.

زیست مولکول ها یکی دیگر از دسته های مهم مواد اتصال دهنده در ژل های بر پایه ی گرافن است. در یک آزمایش، یک هیدروژل چند منظوره از ترکیب گرافن اکسید و DNA دو رشته ای در محیط آبی سنتز شده است. در این آزمایش طی یک فرایند گرماییDNA دو رشته ای به DNA تک رشته ای تبدیل شده است و موجب تشکیل پیوند های غیرکووالانسی قوی بین ورق های گرافن اکسید مجاور شده است (شکل 2C و 2D). در نهایت یک شبکه ی هیدروژل، به روش خود آرایی، با استفاده از اثرات اتصال دهنده های فیزیکی و هم پوشانی ورق های انعطاف پذیر گرافن اکسید از طریق اتصال DNA ایجاد شد. جالب است که این هیدروژل DNA/ گرافن اکسید در شرایط سخت، مانند محیط اسیدی (pH 2) ، محیط بازی (pH 13) و محیط نمکی (1 M NaCl) در محلول آبی و حتی در حلال های آلی پایدار است. این پایداری محیطی عالی می تواند مربوط به تعاملات غیرکووالانسی بین ورق های گرافن اکسید و مولکول های DNA، از جمله تعاملات π-π، تعاملات آبگریز و تعاملات الکترو استاتیک/ هیدروژنی بین آمین های اولیه DNA و گروه های حاوی اکسیژن گرافن اکسید باشد. در همین راستا هیدروژل هموگلوبین/ گرافن اکسید هم سنتز شده است که با مخلوط کردن مستقیم دو جز ایجاد می شود. این هیدروژل کامپوزیتی در حلال های غیر آلی پایدار است، زیرا شبکه هیدروژل میکرومحیط آبی برای محافظت از آنزیم فراهم می کند.

یون های فلزی می توانند برای آرایش ورق های گرافن اکسید در شبکه‌های سه بعدی استفاده شوند. نیروی اصلی در این فرآیند، هماهنگی یون های فلزی با گروه های هیدروکسیل و کربوکسیل در ورق های گرافن اکسید است.

یون‌های مختلف فلزی می‌توانند با صفحات گرافن واکنش نشان دهند، اما فقط یون های دو و سه ظرفیتی مانند Ca2+، Mg2+، Cu2+، Pb2+، Cr3+ و Fe3+ می توانند در فرآیند ژل کردن گرافن مورد استفاده قرار گیرند. یون های فلزی چند ظرفیتی معمولا پایداری کوئوردینانسی بیشتری دارند، بنابراین اتصال دهنده های بهتری هستند.

به عنوان یک مثال خاص، می توان به سنتز هیدروژل های بر پایه ی گرافن ماکروسکوپیک چند منظوره تحت اثرات سینرژیک کاهش صفحات گرافن اکسید با یون های آهنی و رسوب نانومواد کاربردی مانند نانومیله های FeOOH و نانوذرات Fe3O4 به شبکه گرافن (شکل 2E و 2F). یون های آهنFe2+ به سمت ورقه‌های گرافن اکسید از طریق تعاملات الکترواستاتیک در جهت ورق های گرافن اکسید پخش می‌شوند و به‌وسیله‌ی گروه‌های عاملی حاوی اکسیژن روی سطح گرافن اکسیداکسید می‌شوند. در pH‌های مختلف، ذرات FeOOH یا Fe3O4 با استفاده از اثر کوئوردینانسی، هیدروژل گرافن اکسید را تشکیل می‌دهند و پایدار می‌کنند. تعاملات هیدروفوبیک و π-π، که به‌وسیله‌ی کاهش تعداد گروه‌های اکسیژن دار شده در ورق‌های گرافن اکسید در فرآیند کاهش یافته اند، همچنین شکل گیری ورق های گرافن اکسید را تسریع می‌کند.

سنتز الگو محور یک روش کلی برای رشد ژل بر اساس گرافن یا سایر مواد کربن است. ورق های گرافن یا گرافن اکسید می توانند به طور مستقیم بر روی پایه های از پیش ساخته تشکیل شده یا رشد کنند و شبکه های گرافنی متصل را بسازند. از مزایای روش های الگو  محور می توان به قابلیت  فراگیری و قابلیت کنترل ابعادی اشاره کرد. الگو های مختلفی تا به امروز استفاده شده اند که در هر یک با تنظیم شرایط می توان ساختار ژل نهایی گرافن را تغییر داد. در همین راستا دانشمندان از یک داربست فوم متخلخل نیکل به عنوان قالب استفاده کرده و ورقه های گرافن را به روش رسوب شیمیایی بخار بر روی سطح نشاندند. در این فرآیند رسوب شیمیایی بخار، از گاز متان به عنوان منبع کربن استفاده شده است (شکل 3A و 3B). قبل از حذف الگوی نیکل، یک لایه نازک از پلی متیل متاکریلات برای حفظ یک پارچگی شبکه ی گرافن بر روی آن قرار داده شده است. سپس، داربست نیکل از طریق سونش شیمیایی با محلول هیدروکلریک اسید حذف شده و لایه PMMA در استون گرم حل شده است. به این ترتیب، ژل گرافن، ساختار شبکه ای مستمر سه بعدی فوم نیکل را به خود می گیرد که یک ساختار ماکروسکوپی آزاد و متشکل از ورق های بسیار نازک و متصل است. دلیل این نتیجه این است که صفحات گرافن به صورت همگن بر روی تمام سطح داربست فوم نیکل رشد می کنند و بنابراین هیچ جدایی فیزیکی در شبکه وجود ندارد. ساختارهای ژل سه بعدی گرافن می توانند از طریق تزریق ورقه های گرافن به داخل الگو نیز آماده شوند. در این راستا، دانشمندان از الکترود گرافن-اسفنج ساخته شده با پوشش دادن گرافن بر روی اسفنج های پلی اورتان (شکل 3C و 3D) استفاده کردند. آن ها در ابتدا یک محلول آبی از نانوپودر گرافن را با دستگاه اولتراسونیک ساختند. سپس، اسفنج های پلی اورتان مصنوعی به را در محلول گرافن فرو کرده و خارج می کردند، و صبر می کردند تا خشک شدند. این روش ساخت، ساده و مقیاس پذیر است و پوشش رسانای ورق های گرافن می تواند بدون تأثیر بر روی ساختار متخلخل اسفنج به مورفولوژی اسفنج برسد.

در یک کار دیگر، دانشمندان اسفنج های گرافنی را به روش لایه نشانی غوطه وری و با استفاده از اسفنج های ملامین تجاری به عنوان الگو ها ساختند. در این روش، در ابتدا، اسفنج ملامین را در محلول گرافن/اتانول فرو کرده و سپس در محیط خلا خشک می کنیم. انعطاف پذیری مکانیکی نانوساختار های گرافن و تعاملات واندروالس قوی، پیوند فیزیکی نانوساختار های گرافن بر روی اسکلت اسفنجی و ساختار شبکه سه بعدی را تایید می کند.

ابرخازن ها به دلیل چگالی قدرت بالا، چرخه عمر طولانی و قابلیت رسیدن به تراکم بالا انرژی به عنوان دسته‌ی مهمی از دستگاه های الکتروشیمیایی ذخیره سازی انرژی در نظر گرفته می شوند. ترکیبات کربنی مانند گرافیت، نانولوله‌های کربنی و کربن متخلخل فعال شده، به دلیل توانایشان در جمع‌آوری بار‌ها در دولایه‌ی الکتریکی که در هر رابط الکترود‌/‌الکترولیت شکل می گیرد به عنوان مواد الکترود برای ابررایانه ها استفاده می شوند. ظرفیت مواد کربن به شدت به مساحت سطح ، هدایت الکتریکی و توانایی تسهیل جریان الکترولیت بستگی دارد. به عنوان یک نانومواد کربنی منحصر به فرد، گرافن می‌تواند در درجه اول ظرفیتی تا 550 Fg-1 را به علت هدایت عالی ، قدرت مکانیکی بالا و انعطاف‌پذیری، مساحت سطح بالا و پایداری شیمیایی بالا، فراهم کند،. با این حال، ورق های گرافن به علت تعاملات قوی π-π تمایل دارند تا مجددا به هم متصل شوند، که منجر به کاهش سطح فعال و مهار انتشار یونی می‌شود. ژل شدن گرافن به ساختار شبکه‌ای سه‌بعدی می‌تواند این اتصال مجدد را مهار کند و در عین حال ساختار متخلخل حاصل می‌تواند مسیر‌های انتقال الکترونی، دسترسی آسان به الکترولیت و مسافت‌های حمل و نقل حداقلی را بین الکترودهای الکترولیت و الکترولیت را فراهم کند، افزایش ظرفیت.

در یک پژوهش دیگر، دانشمندان هیدروژل گرافن را به روش خودآرایی، و با استفاده از یک فرایند هیدروترمال یک مرحله‌ای و سپس یک فرآیند کاهش شیمیایی با استفاده از هیدرازین یا اسید هیدروژئیدیک به عنوان عامل کاهنده تولید کردند. ابرخازن تولید شده بر اساس این مواد متخلخل سه‌بعدی دارای ظرفیت ویژه 220 Fg-1 در تراکم جریان 1 Ag-1 بوده و می‌تواند ظرفیت ویژه‌ای حدود 165 Fg-1 با سرعت تخلیه بالای 100 Ag-1 در الکترولیت آب داشته باشد. این عملکرد بهینه به ساختار شیمیایی اصلاح شده و مورفولوژی هیدروژل گرافن مربوط می‌شود. در این فرآیند کاهش شیمیایی باعث حذف گروه های اکسیژن باقی مانده از ورق های گرافن شده و هدایت آن‌ها را بهبود می‌دهد. مورفولوژی سه‌بعدی منحصر به فرد اجازه می دهد تا بیشتر ورق‌های گرافن در معرض الکترولیت قرار بگیرند و با ایجاد کانال‌های باز، انتقال یون‌ها را بهبود ببخشد. همچنین لازم به ذکر است که این الکترود گرافن-هیدروژل بدون هیچگونه افزودنی رسانا یا اتصال‌دهنده پلیمری ساخته شده است، که پردازش ساده و حذف اثرات نامطلوب عوامل اضافی را به دنبال دارد. با توجه به مقاومت مکانیکی و انعطاف‌پذیری هیدروژل‌های گرافن، می‌توان با استفاده از این مواد، ابرخازن‌های جامد انعطاف‌پذیر را تولید کرد. در همین راستا، محققان دیگری ابرخازن‌های جامدی را با استفاده از فیلم‌های هیدروژل گرافن به عنوان الکترود و ژل اسید سولفوریک- پلی وینیل الکل به عنوان الکترولیت، سنتز کردند. (شکل 4A-4C) این دستگاه با یک فیلم نازک 120 میکرومتری هیدروژل گرافن ، دارای یک ظرفیت ویژه گراویمتری 186 Fg-1 و ظرفیت ویژه سطحی 372 mFcm-2 بوده، و پایداری سیکلی و انعطاف‌پذیری مکانیکی بالایی دارد.

روش‌های مختلف برای بهبود عملکرد الکتروشیمیایی مواد ژل بر اساس گرافن به عنوان الکترود‌های ابرخازن‌ها بررسی شده‌اند. بدین منظور می‌توان سطح ورق‌های گرافن موجود در یک ماتریس ژل را اصلاح کرد. در این روش دانشمندان هیدروژل‌های گرافن را از طریق کاهش شیمیایی یک مرحله‌ای گرافن‌اکسید با استفاده از هیدروکینون‌ها به عنوان کاهنده و گروه‌های عاملی، عاملدار کردند (شکل 4D-4F). با توجه به سطح گسترده‌ی هیدروژل‌های گرافن، آن‌ها می‌توانند تعداد زیادی مولکول هیدروکینون را در خود جای دهند، که منجر به افزایش خاصیت شبه‌خازنی می‌شود. علاوه بر این، تمام مولکول‌های هیدروکینون به واسطه ی تعاملات π-π به طور مستقیم به ورق‌های گرافن متصل شده‌اند. تعاملات، که باعث استفاده کامل از خاصیت شبه‌خازنی و انتقال سریع الکترون از بستر گرافن به هیدروکینون برای واکنش سریع فارادی می‌شود. با استفاده این هیدروژل‌های گرافن عاملدار شده به عنوان الکترود‌ها، می‌توان یک ابرخازن با ظرفیت ویژه 441 Fg-1 ساخت. همچنین برای افزایش مساحت سطح، می‌توان با اضافه کردن H2O2 در هنگام خودآرایی صفحات گرافن، یک چارچوب گرافنی ایجاد کرد. در این فرآیند، مولکول‌های H2O2 اتم‌های کربن موجود در اطراف نقاط نقص گرافن‌اکسید، را از بین برده و حفره‌های خالی از کربن به جا می‌گذارد، که به تدریج تبدیل به نانوحفره‌هایی در تمام سطح ورق می‌شود. چارچوب ژل متخلخل تولید شده، مساحت سطحی در حدود 1560 m2g-1 داشته و از قدرت مکانیکی بالایی برخوردار است. مهمتر از همه، منافذ به اندازه کافی بزرگند که باعث جا‌به‌جایی کارآمد یون در کل شبکه، حتی در حالت بسیار فشرده می‌شوند. یک ابرخازن ساخته شده بر اساس هیدروژل‌های متخلخل گرافن، دارای تراکم انرژی گرانشی 35 Whkg-1 و تراکم انرژی حجمی 35 Whl-1 است که به مقادیر لازم در باتری‌های اسید سرب نزدیک است.

یکی دیگر از روش‌های تولید مواد الکترود با کارایی بالا به کار گیری چارچوب ژل‌های گرافن با نیتروژن، بور، گوگرد و یا دیگر اتم‌هاست. در این راستا دانشمندان، هیدروژل گرافن و نیتروژن را با استفاده از آمین‌های آلی و گرافن‌اکسید به عنوان پیش‌ماده سنتز کردند (شکل 4G-4I). با استفاده از گونه‌ها و مقادیر مختلف آمین‌های آلی، می‌توان پارامترهای ریز‌ساختاری هیدروژل‌های گرافن مانند اندازه ذرات را تنظیم کرد. وجود نیتروژن در صفحه‌ی کربن می‌تواند جداسازی را گسترش داده و اثر تعاملات π-π بین صفحات گرافن را به دلیل وجود زنجیره‌های آلی خارج از صفحه آمین و تشکیل پیوند هیدروژنی از بین ببرد و عملکرد الکتروشیمیایی را بهبود بخشد. ابرخازن حاصل می‌تواند چگالی قدرت بالایی در حدود 205.0 KwKg-1 و سرعت شارژ / تخلیه بالایی حدود 185.0 Ag-1 دارد. در مطالعه دیگری، آئروژل‌های گرافن با استفاده از NH3BF3 به عنوان پیش‌ماده از طریق واکنش هیدروترمال با نیتروژن و بور دوپ شده اند که هدایت الکتریکی چارچوب گرافن افزایش یافته و چگالی قدرت بالایی در حدود 1600Wkg-1 به دست آمده است.

علاوه بر اصلاح شیمیایی، روش‌های جدیدی برای مهندسی میکروسازه‌ای ژل گرافن و طراحی ساختار دستگاه پیشنهاد شده است تا کاربرد الکتروشیمیایی ژل‌های گرافنی را بهبود بخشد. در این راستا دانشمندان یک روش ژل سازی ساده و تطبیق‌پذیر برای گرافن ایجاد کردند که قادر به طراحی شکل هیدروژل‌های با ضخامت میکرومتری بر اساس غوطه‌وری اشیایی از جنس Zn به طور دائم در یک محلول آبی است. فیلم‌های هیدروژل به صورت خود به خود بر روی سطوح Zn تولید می‌شوند و این ژل شدن منطقه‌ای، قابلیت کنترل وسیعی را فراهم می‌سازد. در این فرآیند ضخامت را می‌توان با تغییر زمان غوطه‌وری و سطح را با تغییر اندازه فیلم Zn تنظیم کرد. ابرخازن‌های گرافن-ژل دارای چگالی انرژی 2.73 µWhcm-2 و چگالی قدرت سطحی بالا 369.8 mWcm-2 هستند. هیدروژل‌های گرافن به غیر از ابرخازن‌های متقارن، در ساخت ابرخازن‌های غیر‌متقارن با عملکرد بالا هم کاربرد دارد. دانشمندان ابرخازن نامتقارنی را با استفاده از هیدروژل گرافن به عنوان الکترود منفی و نانوصفحات MnO2 عمودی بر روی فوم نیکل به عنوان الکترود مثبت ساختند. بدین ترتیب ابرخازن تولید شده طیف وسیعی از پتانسیل‌های 0-2 V و با چگالی انرژی 23.2 Whkg-1 و با تراکم انرژی 1.0 kWkg-1 دارد.

باتری‌های لیتیوم-یون به دلیل تراکم انرژی بالا به طور گسترده در لوازم الکترونیکی استفاده می‌شوند. گرافن به علت هدایت الکتریکی بالا، قدرت مکانیکی و مساحت سطح بالا، به عنوان آند در باتری‌های لیتیوم-یون استفاده می‌شود. چگالی انرژی نظری گرافن زمانی که جذب یون‌های لیتیوم بر روی یک سطح برای ساخت LiC6 صورت می‌گیرد 372 mAhg-1 است و هنگامی که جذب یون لیتیوم در دو طرف گرافن اتفاق می‌افتد 744 mAhg-1 است. اگرچه، گرافن به علت مساحت سطح بالای آن و همچنین تعاملات قوی واندروالس بین ورق‌ها با مشکل تجمع در هنگام تهیه الکترود‌ها مواجه است. در نتیجه، نفوذپذیری بین‌صفحه‌ای یون‌های لیتیوم کم است و انتقال یون Li+ به داخل آند گرافن و خارج از آن، عمدتا در لبه‌ی محل تجمع اتفاق می‌افتد. این فرآیند عملکرد الکتروشیمیایی چنین الکترودی را به ویژه در شارژ‌/‌تخلیه بالا، به میزان قابل توجهی محدود می‌کند.

بهتر است تا ژل‌های گرافن را به صورت سه بعدی ساخت تا انتشار یون Li+ به فضای بین صفحات گرافن بهتر شود، و در نتیجه کاربرد الکتروشیمیایی گرافن افزایش یابد. با استفاده از این استراتژی، دانشمندان یک ساختار گرافنی متخلخل ایجاد کردند و بعد با استفاده از خاصیت خورندگی KOH منافذی بر روی سطح ایجاد کردند (شکل 5A-5C). مواد حاصل به عنوان آند در باتری‌های لیتیم-یون استفاده شدند و پایداری سیکلی بالایی نشان دادند. با نرخ بالایی در حدود 10C، چنین الکترودی هنوز هم می‌تواند ظرفیت ویژه برگشت‌پذیری حدود 147 mAhg-1 داشته باشد. یک مطالعه EIS نشان داد که ضریب انتشار برای یون‌های لیتیوم می‌تواند به حدود 1.4×10-8 cm2s-1 برسد که قابل مقایسه با انتشار گزارش شده برای یون لیتیوم در گرافیت است و بنابراین ادعای عملکرد بالا را تایید می‌کند. در مطالعه دیگری، دانشمندان هیدروژل‌های گرافن را با نانولوله‌های کربن به عنوان اتصال‌دهنده، تهیه کرده و ماده به دست آمده را به عنوان آند در باتری‌های لیتیوم-یون استفاده کردند. این مواد دارای ظرفیت ویژه برگشت‌پذیری معادل 439 mAhg-1 و با تراکم جریانی معادل 372 mAg-1 و ظرفیت بالایی معادل 429 mAhg-1 پس از 100 سیکل بودند.

علاوه بر استفاده مستقیم به عنوان آند در باتری‌های لیتیوم-یون، ژل‌های گرافن معمولا به عنوان چارچوبی برای نگهداری مواد فعال هم استفاده می‌شوند. در این حالت، عملکرد باتری نه تنها با خواص ذاتی ماده فعال، بلکه با خواص و ساختار الکترود مانند هدایت الکتریکی/یونی و ساختار منافذ نیز مرتبط می‌شود. ژل گرافن می تواند یک شبکه سه‌بعدی با هدایت الکتریکی بالا فراهم کند، که در نتیجه باعث افزایش سرعت انتقال الکترون در الکترود می‌شود. مساحت سطح بزرگ می‌تواند مقدار زیادی از مواد فعال را پشتیبانی کرده و باعث افزایش سطح مشترک شده، و در نتیجه تعداد سایت‌های فعال برای واکنش‌های الکتروشیمیایی را افزایش دهد. شبکه متخلخل سه‌بعدی امکان انتقال سریع یون Li+ را فراهم می کند. علاوه بر این، برای مواد فعال مانند اکسید و سولفید فلزات که تغییرات حجم زیادی را در طول سیکل طی می‌کنند که می‌تواند منجر به پودر شدن الکترودها و جمع شدن مواد الکترود شود، ژل گرافن می‌تواند خود را به راحتی با این تغییرات حجمی تطبیق دهد.

LiFePO4 به عنوان یک کاتد، مزایای مختلفی از قبیل ظرفیت نظری بالا (170 mAhg-1) ، پتانسیل الکتروشیمیایی بالا، پایداری حرارتی مناسب، هزینه کم، سازگاری با محیط زیست و غیر سمی بودن را دارد. با این حال، عملکرد آن به دلیل هدایت الکتریکی ضعیف و نفوذپذیری ذاتی پایین یون لیتیوم، ضعیف است. دانشمندان نانوپلاکت‌های LiFePO4 را با استفاده از روش خودآرایی در یک ژل گرافنی با نیتروژن بسته‌بندی کردند. در این روش، جاذبه الکترواستاتیک بین نانوپلاکت‌های LiFePO4 اصلاح شده با (APS) مثبت و گرافن‌اکسید با بار منفی، به عنوان نیروی محرک ژل‌سازی عمل می‌کند (شکل 5D و 5E). الکترودهای ترکیبی به دست آمده توانایی بالا (78mAhg-1 در 100C) و چرخه عمر طولانی (89% ظرفیت نگهداری بیش از 1000 سیکل در 10C). در این روش، ژل گرافنی با نیتروژن با شبکه متخلخل متصل، راه‌های سریعی برای انتقال الکترون و یون فراهم می‌کند.

روشهای مشابهی برای توسعه آندهای باتری‌های لیتیم-یون مورد استفاده قرار گرفته است. دانشمندان ساختار‌های ترکیبی سه‌بعدی گرافن را با استفاده از MoS2 و FeOx سنتز کردند. شبکه گرافن نه تنها رسانایی الکترود کلی را بهبود بخشید بلکه فعالیت الکتروشیمیایی مواد فعال را در طول چرخه به شدت افزایش داد. در نتیجه، یک چرخه عمر طولانی در نرخ شارژ و تخلیه مختلف به دست آمد (3000 سیکل برای MoS2 و 1500 سیکل برای FeOx با تقریبا 100% ظرفیت احتباس). علاوه بر این، قابلیت های نرخی برای MoS2/گرافن و FeOx/گرافن به ترتیب به 140C و 80C گزارش شده است. در بخش دیگری از پژوهش‌ها نانوذرات Si در چارچوب ژل گرافنی تزریق شدند. خواص الکترودهای هیبریدی از جمله پایداری چرخه (ظرفیت نگهداری %85 پس از 200 دوره در 1 Ag-1)، ظرفیت ویژه و عملکرد به طور چشمگیری بهبود یافت. ژل گرافن متخلخل همچنین‌ می‌تواند بارگذاری جرمی مواد فعال را افزایش دهد. تا به امروز، باتری های Li-S تجاری نشده‌اند، زیرا اکثر الکترودهای این باتری‌ها دارای بارهای جرمی بسیار کم هستند که باعث می‌شود ظرفیت واقعی این باتری‌ها نسبت به باتری‌های لیتیم-یون تجاری کاهش یابد و استفاده از ماتریس ژل گرافنی یک روش امیدوار کننده برای حل این مشکل است. در این راستا دانشمندان روشی را مطرح کردند که در آن ابتدا اسفنج‌های گرافنی خود‌محافظت شده از طریق کاهش هیدروترمال سنتز شده و سپس گوگرد از طریق یک عملیات حرارتی به تخلخل‌های اسفنج تزریق شده است. اسفنج متخلخل گرافنی حاصل، هنگامی که به عنوان کاتد مورد استفاده قرار می‌گیرد، باعث بهبود راندمان عمومی می‌شود، اما پلی‌سولفید‌های محلول را نیز جذب می‌کند. این ماده کامپوزیت می‌تواند به طور مستقیم به عنوان یک کاتد با بارگذاری توده‌ای جرمی بزرگ گوگرد (12 mgcm-2) استفاده شود، که ظرفیت ویژه‌ای درحدود 4.53 mAhcm-2 و پایداری خوب (افت %0.08 در هر سیکل پس از 300 سیکل) دارد. آیروژل‌های گرافن با ساختارهای متخلخل سه‌بعدی می‌تواند به عنوان ساختارهای پشتیبانی برای گوگرد برای افزایش رسانایی الکترود‌ها و جلوگیری از انحلال محصولات میانی در هنگام شارژ‌/‌تخلیه استفاده شود.

واکنش های الکتروشیمیایی مرتبط با انرژی مانند واکنش تکامل هیدروژن (HER)، واکنش تکامل اکسیژن (OER) و واکنش کاهش اکسیژن (ORR) واکنش های پایه‌ای هستند که در سیستم‌های مختلف تبدیل و ذخیره انرژی مانند سوخت‌های خورشیدی، سل‌های سوختی و باتری‌های فلز-هوااتفاق می‌افتند. فلزات نجیب مانند Pt، Ru و Ir عملکرد کاتالیزوری منسابی نسبت به این واکنشها نشان دادهاند، اما کاربرد آنها در مقیاس بزرگ به دلیل کمیابی و هزینه‌های هنگفت محدود است. به تازگی، کاتالیزورهای ترکیبی بر اساس گرافن و هیبرید‌های گرافن به علت فعالیت کاتالیزوری بالا، هزینه نسبتا کم و نداشتن فلز، به عنوان جایگزینی برای کاتالیزور‌های پیشین واکنش‌های الکتروشیمیایی ظاهر شده‌اند. استفاده از مواد ژل بر پایه‌ی گرافن به دلیل خواص ساختاری و شیمیایی منحصر به فرد آن می‌تواند منجر به بهبود بیشتر عملکرد کاتالیزوری شود. این ژل‌های خودمحافظ، خواص مکانیکی خوبی دارند و می‌توانند با اطمینان از دوام کاتالیست به طور مستقیم به عنوان الکترود کاری استفاده شوند. به طور خاص، چارچوب آبدوست مواد مبتنی بر هیدروژل می‌تواند الکترودهای با قابلیت تر‌کنندگی را به میزان قابل توجهی افزایش دهد، دسترسی به الکترولیت را تسهیل کند، و در نتیجه باعث افزایش سینتیک واکنش شود. علاوه بر این، منافذ ژل ماتریس می‌تواند انتقال گاز را در الکترودها آسان کند.

مطالعات متعددی با موفقیت نشان دادند که توانایی کاتالیزورهای مبتنی بر گرافن را نشان دادند. دانشمندان الکتروکاتالیست هیدروژل گرافن-نانولوله‌ی کربن دوپ شده با N-O را با استفاده از کنار هم قرار دادن گرافن اصلاح شیمیایی شده (با ناخالصی های ذاتی اکسیژن) و نانولوله‌های کربن از طریق یک روش ساده فیلتراسیون و سپس دوپ نیتروژن با آمونیاک تهیه کردند (شکل 6A و 6B). این مواد خودمحافظ از فعالیت OER بالاتری نسبت به کاتالیزور فلز نجیب (IrO2) و برخی از کاتالیزورهای فلز انتقالی برخوردارند و همچنین پایداری بالایی در هر دو محیط قلیایی و اسیدی دارند. سینتیک کاتالیزوری به علت خواص ساختاری عالی مواد مانند چارچوب سه‌بعدی، تخلخل منظم و دوپینگ با N و O به طور قابل توجهی افزایش یافته است که مراکز کاتالیزوری متعدد (C-N و C-O-C) را برای واکنش OER فراهم می‌کنند.

کامپوزیت های مبتنی بر گرافن ژل با سایر ذرات فعال نیز به عنوان کاتالیزورهای ترکیبی برای واکنش های الکتروشیمیایی توسعه یافته‌اند. دانشمندان هیدروژل‌های تزیین شده با NiCo و MoSx و دوپ شده با نیتروژن را به ترتیب برای واکنش‌های HER و OER سنتز کردند. این مواد ترکیبی تعدادی از خواص ساختاری عالی الکتروکاتالیزوری، از قبیل حضور سایت‌های بسیار فعال دوپینگ با گونه‌های فعال، خواص مکانیکی خوب، چارچوب هیدراته و وجود شبکه هدایت سه‌بعدی را دارند (شکل 6C و 6D ). کاتالیزورهای هیبریدی، پیشرفت‌های قابل توجهی در فعالیت کاتالیزوری و پایداری نشان دادهاند. کاتالیزور هیدروژل NiCo-گرافن دارای یک اضافه‌ولتاژ کم 350 mV و چگالی جریان کاتالیزوری بالای 145.3 mAcm-2 در واکنش OER است، در حالی که کاتالیزور هیدروژل MoS-گرافن عملکرد کاتالیزوری را با اضافه‌ولتاژ 140.6 mV در واکنش HER دارد. در یک مطالعه دیگر، یک آیروژل گرافن دوپ شده با نیتروژن با نانوذرات Fe3O4 به عنوان یک کاتالیزور کاتدی کارآمد برای ORR استفاده شده است. این ژل، در مقایسه با نانوذرات Fe3O4 که بر روی صفحات گرافن دوپ شده با نیتروژن یا صفحات کربن سیاه دوپ شده با نیتروژن قرار گرفته‌اند، پتانسیل آغازگر مثبتتر، تراکم کاتدیک بالاتر، بازده H2O2 پایین تر و انتقال الکترون بیشتری برای واکنش ORR در محیط قلیایی دارد. بنابراین ساختار متخلخل سه‌بعدی و مساحت سطح ویژه ژل گرافن در بهبود عملکرد ORR اهمیت دارد.

ژل‌های بر پایه‌ی گرافن، می‌توانند به عنوان نسل بعدی مواد در کاربرد‌های تبدیل و ذخیرهسازی انرژی الکتروشیمیایی هستند، زیرا ترکیبی از ویژگی‌های ورق‌های گرافن و ساختارهای شبکه سه‌بعدی مانند هدایت بالا، مساحت سطح بالا، ساختار متخلخل و سازگاری ساختاری و شیمیایی را دارند. با این وجود، ژل‌های بر پایه‌ی گرافن در هنگام استفاده در دستگاه‌های الکتروشیمیایی با مشکلاتی مواجه هستند. به عنوان مثال، نقص شبکه گرافن می‌تواند عملکرد آن را تحت تاثیرقرار دهد، هدایت آن را کاهش دهد. ساختار متخلخل نفوذ یون را افزایش می‌دهد، اماز طرفی باعث کاهش تراکم نیز می‌شود. بنابراین، ریزساختارها و شرایط شیمیایی ژل‌های بر پایه گرافن باید با دقت طراحی و کنترل شوند. تعداد و موقعیت نقص‌های ناشی از دوپینگ، گروه‌های عاملی و مواد فعال افزوده شده باید کنترل شوند. برای تسهیل ساخت مواد گرافنی با تراکم بالا از اسپیسرهای کوچک باید استفاده شود.

مطالعات بنیادی مکانیزم انتقال بار و ذخیره‌سازی ژل‌های گرافن سه‌بعدی می تواند باعث نوآوری در طراحی و اصلاح ساختاری آن‌ها شود. در نهایت می‌توان اشاره کرد که توسعه مواد گرافن حوزه‌ای چند رشته‌ای است که به تلاش‌های محققان شیمی، فیزیک، و فناوری نانو و همچنین زمینه‌های مختلف مهندسی نیاز دارد.

منبع:

Energy gels: A bio-inspired material platform for advanced energy

applications, Ye Shi, Nano Today.