Nanoporous-Kohlenstoffe für Heutige Großartige Herausforderungen: Einige Gelegenheiten und Sperren

durch Prof Mark Biggs

Professor Kennzeichen J. Biggs, Kopf der Schule, Schule der Industriechemie; Direktor, Bio- u. Nanoengineering-Lehrkörper-Forschungsgruppe, die Universität von Adelaide, Australien
Entsprechender Autor: mark.biggs@adelaide.edu.au

Verschiedene Gelehrtgehäuse1,2 und sogar Nobelpreisträger3 haben in den letzten neuen Jahren kennzeichneten eine Reichweite der Großartigen Herausforderungen, die Menschlichkeit in den kommenden Jahrzehnten ansprechen muss, um das Überleben unserer Methode von lebens- sicherzustellen, die Grundursachen des Klimawandels anpackend, während, enorme Zunahmen des Energiebedarfs treffend und unsere Auswirkung auf die breitere Umgebung verringern und unsere Naturressourcen effizienter ausnutzen und sicherstellen ausreichendes Zubehör sicheres Trinkwasser und Verteidigung gegen Terrorismus gerade einige von diesen Schlüsselherausforderungen ist.

Nanoporous-Kohlenstoffe haben lang eine Rolle in den Bereichen gespielt, die mit diesen Großartigen Herausforderungen verbunden sind (z.B. Reinigung des Trinkwassers; Erfassung von flüchtigen organischen Verbindungen von der Industrie; Gasmasken), aber sie haben eine immer größere Rolle, zum in die Zukunft zu spielen. Zum Beispiel sind nanoporous Kohlenstoffe am Kern von Lithium-Ionen-Batterien, die4 verwendet werden sollen, um die Reichweite der nächsten Generation von Hybridfahrzeugen im Wesentlichen zu erhöhen -5 diese ist zur Verringerung von CO-Emissionen2 vom Transport wesentlich, der6 ein Drittel all dieser Emissionen erklärt. 7

Diese Batterien und nanoporous Kohlenstoff-basierten supercapacitors werden für Energiespeicher von den zeitweiligen auswechselbaren Quellen wie Wind auch entwickelt8 - solcher Energiespeicher ist zum Gebrauch des großen Umfangs von erneuerbarer Energie wesentlich.6 Nanoporous-Kohlenstoffe sind auch eine ernste Alternative für das Trennen von CO2 von den Abgasströmen, 9 die ein Teil der so genannten „Kohlenstofferfassungs- und -absonderungs“ Strategie ist, die viele in eine Bemühung, die künftige Nutzung der Kohle als Kraftstoff sicherzustellen ausüben.6 Schließlich sind möglicherweise imprägnierte nanoporous Kohlenstoffe effektive WasserstoffSpeichermedien10 - das aktuelle Fehlen irgend solcher Technologie ist eine bedeutende Sperre zur Realisierung der „Wasserstoffwirtschaftlichkeit“.6

So ist was dieses magische Material, das wir „nanoporous Kohlenstoff“ rufen? Einige erkennen möglicherweise die älteren Formausdrücke „der Aktivkohle“ oder „des mikroporösen Kohlenstoffes“ - nanoporous Kohlenstoff geben diese nichtkristallinen kohlenstoffhaltigen Materialien sowie neueren Formulare des porösen Kohlenstoffes wie Kohlenstoff nanotubes und templated Kohlenstoffe um. Nanoporous-Kohlenstoffe sind in hohem Grade poröse Kohlenstoff-dominierte Materialien, die fast immer kleine Mengen heteroatoms wie Sauerstoff, Wasserstoff und, abhängig von ihrem Ursprung, Stickstoff, Schwefel und sogar „Schwermetall“ Atomen enthalten.

Die Pore „Breiten“ in diesen Materialien reichen gewöhnlich von kleiner als nm durch bis zu 10s von nanometres und sogar größeres. Die Größe und die Geometrie der Poren, die mit der Beschaffenheit der nanoporous Kohlenstoffe der festen Mittelwerte des Kohlenstoffes skeleton kombiniert werden, haben die großen Flächen11 - Wert gewöhnlich mit 1 bis 15 Tennisplätzen pro Gramm Material - verglichen mit vielen anderen porösen Materialien. Die Porengrößen und die großen Flächen, die Leichtigkeit, mit denen sie geändert werden können und die relative Untätigkeit des nanoporous Kohlenstoffes sind gerade einige der Gründe, warum es solch ein populäres Material ist.

Trotz ihrer langen Geschichte von Ausnutzung, sind viele möglicherweise überrascht, zu erfahren, dass experimentelles Ausprobieren noch die Entwicklung vieler nanoporous Kohlenstoffe beherrscht, besonders die weniger kristallenen Formulare, mindestens von einer molekularen Perspektive. Die begrenzte Nutzung von molekularer Formung in der Auslegung von weniger kristallenen Formularen des nanoporous Kohlenstoffes kann zu seinem Gebrauch für Zeolith und12 andere kristallene Materialien wie Metall-organische Rahmen kontrastiert werden, 13 in denen eine identifizierbare Gerätenzelle groß ermöglicht zu formen.

Für viele nanoporous Kohlenstoffe das so genannte „Schlitzpore“ Baumuster (siehe, dass Abbildung 1) - die hinsichtlich mindestens Emmett in den vierziger Jahren zurückgeht14 - als Stellvertretergerätenzelle verwendet worden ist. Das Hilfsprogramm dieses Baumusters im Allgemeinen ist viele Male nachgewiesen worden. Zum Beispiel fährt es fort, viele der experimentellen Kohlenstoffkennzeichnungsmethoden zu untermauern, die heute angewendet werden. Es wurde auch im Anfang der 90er in Verbindung mit molekularer Simulation der Methanaufnahme verwendet, um die optimale Porengröße und -bedingungen für adsorbierten Erdgasspeicher zu kennzeichnen.15

Abbildung. 1. Das Schlitzpore Baumuster von Emmett14: eine Porenbreite h wird durch die basalen Oberflächen von zwei entgegensetzte halb-unbegrenzten Blöcken des Graphits definiert. Während die Zusammenfassung von Bandosz et al.22 anzeigt, ist dieses Baumuster weitgehend mit molekularer Simulation verwendet worden, um Aufnahme, Diffusion und Reaktion in den nanoporous Kohlenstoffen zu studieren. © Kennzeichen J. Biggs 2010.

Trotz der Popularität des Schlitzpore Baumusters von Emmett, lässt es auch viele Details von Kohlenstoffen aus, die wichtige Rollen in vielen Umständen spielen können. Zum Beispiel unterscheidet sich Aufnahme in den Poren mit den dünnen Wänden, die durch Experiment vorgeschlagen werden, von der des Schlitzporenbaumusters.16 Das Baumuster auch lässt nicht begrenzte Porenlängen, die eine beträchtliche Quelle der Fläche sein können, 11 noch die Porenanlagentopologie zu, die bekannt, um in der Diffusion wichtig zu sein.17 Schließlich ermöglicht es nicht Einbeziehung von heteroatoms in einer realistischen Art, die zum Wasserstoffspeicher, Aufnahme von10 polaren und Ionenflüssigkeiten zentral sind, 18 und in der Katalyse19 und unter anderen Phänomenen und Technologien.

Die Mängel der Schlitzpore Baumuster angeregter Biggs in den neunziger Jahren20,21 , zum eines Baumusters der nanoporous Kohlenstoffe zu entwickeln, bezeichnet Virtuellen Porösen Kohlenstoff (VPC), dass Erfassungen mindestens qualitativ einige der Sachen, die vom Schlitzporenbaumuster fehlten (sehen Abbildung 2). Während neue eingeladene Zusammenfassungen anzeigen, 23 ist dieser Anflug weitgehend verwendet worden, um die Grundlagen der Aufnahme und der Diffusion in den Kohlenstoffen besser zu verstehen und einschätzt und entwickelt verbesserte Aufnahme-basierte Kennzeichnungsmethoden und kürzlich -baumuster für Diffusion in den Kohlenstoffen.24

Abbildung 2. Schnappschuß von einer Monte Carlo Simulation der Simulation der molekularen Dynamik der Aufnahme (Oberseite) und der Ungleichgewichts des Massentransports (Unterseite) auf einem Virtuellen Porösen Kohlenstoff (VPC) von Biggs. Im Spitzenbild werden die Kohlenstoffatome und die flüssigen Moleküle in Grauem und in Blauem beziehungsweise gezeigt. Im unteren Bild werden die Bahnen, die durch die Flüssigkeit durch VPC unter einer Drucksteigung genommen werden (von rechts nach links wirkend von) durch den blauen Umschlag gezeigt, der in den Plätzen Schnitt-offen gewesen ist, den flüssigen Geschwindigkeitsbereich aufzudecken (rot am höchsten zu dunkelblauem langsamstem). © Kennzeichen J. Biggs 2010.

Andere VPC-Baumuster haben in neuere Jahre, einschließlich eine Klasse Baumuster, die Rück-Monte Carlo verwenden, eine so genannte umgekehrte Methode geschienen, die Baumuster zu erzwingen, um direkte Maßnahmen der mikroskopischen Zelle des Zielkohlenstoffes wie der Kohlenstoffkohlenstoff Radialverteilungsfunktion übereinzustimmen, die von der Röntgenstrahlbeugung erhalten wird.25-31 Trotz dieser Fortschritte sogar verfehlen die hoch entwickeltesten VPC-Baumuster des heutigen Tages viele Sonderkommandos, die häufig zur Leistung von Kohlenstoffen einschließlich ausreichende Behandlung von heteroatoms und von struktureller Ordnung über 1-2 nm hinaus zentral sind. Diesen Punkten zusammen mit dem Einzigartigkeitsproblem, das alle umgekehrten Methoden bedient, müssen angesprochen werden, bevor VPCs im Auslegungszusammenhang verwendet werden kann - diese Arbeit ist aktuell laufend im Labor von Professor Biggs an der Universität von Adelaide.


Bezüge

1. G.S. Omenn, „Großartige Herausforderungen und große Gelegenheiten in der Wissenschaft, in der Technologie und in der öffentlichen Ordnung“, Wissenschaft 314, 1696-1704, 2006.
2. G. Ellis, Großartige Herausforderungen für die Technik, Chem. Eng. Prog. 104(4): 11-13, 2008.
3. R.E. Smalley, Smalley-Institut-Großartige Herausforderungen, 2003. Bei cnst.rice.edu/content.aspx?id=246 (am 25. Januar 2010 erreicht).
4. M. Endo, C. Kim, K. Nishimura, T. Fujino und K. Miyashita, Neuentwicklung von Kohlenstoffmaterialien für Li-Ionenbatterien, Kohlenstoff 38, 183-197, 2000.
5. J. Voelcker, Lithium-Batterien für Hybride Autos, 2007. Bei spectrum.ieee.org/green-tech/advanced-cars/lithium-batteries-for-hybrid-cars (am 25. Januar 2010 erreicht).
6. Neue Wissenschaft während einer Sicheren u. Dauerhaften Energie-Zukunft. US-Energieministerium, 2008. Bei sc.doe.gov/bes/reports.
7. Energie der Welt Outlook 2008. Internationale Energiebehörde: Paris, 2008.
8. J.R. Miller und P. Simon, Elektrochemische Kondensatoren für Energiemanagement, Wissenschaft 321, 651-652, 2008.
9. M.G. Piazza, C. Pevida, B. Arias, J. Fermoso, M.D. Casal, C.F. Martín, F. Rubiera und J.J. Pis, Entwicklung von preiswerten Biomasse-basierten Adsorbenten für Erfassung der Nachverbrennung2 CO, Kraftstoff 88, 2442-2447, 2009.
10. L. Wang und R.T. Yang, Wasserstoffspeichereigenschaften des N-Lackierten mikroporösen Kohlenstoffes, J. Phys. Chem. C 113, 21883-21888, 2009.
11. K. Kaneko, C. Ishii, M. Ruike und H. Kuwabara, Ursprung der superhigh Fläche und der mikrokristallinen Graphitzellen der Aktivkohlen, Kohlenstoff 30, 1075-1088, 1992.
12. J.M. Thomas und R. Raja, Katalysatoren für saubere Technologie, grüne Chemie und nachhaltige Entwicklung, Annu Konstruierend. Rev. Mater. Res. 35, 315-350, 2005.
13. T. Düren, Y.S. Bae und R.Q. Snurr, Unter Verwendung der molekularen Simulation, zum von Metall-organischen Rahmen für Aufnahmeanwendungen zu kennzeichnen, Chem. Soc. Rev. 38, 1237-1247, 2009.
14. Maße P.H. Emmett, der Aufnahme und der Poregröße auf Holzkohlen und whetlerites, Chem. Rev. 43, 69-148, 1948.
15. M.J. Bojan, R. Van Slooten und W. Steele, Computer-Simulation Studien der Speicherung des Methans in den mikroporösen Kohlenstoffen, Sept. Sci. Technologie 27, 1837-1856, 1992.
16. S.K. Bhatia, Dichte-FunktionsTheorieanalyse des Einflusses von Porenwanduneinheitlichkeit auf Aufnahme in den Kohlenstoffen, Langmuir 18, 6845-6856, 2002.
17. N.A. Seaton, S.P. Friedman, J.M.D. MacElroy und B.J. Murphy, die Molekularsiebvorrichtung in den Molekularsieben des Kohlenstoffes: Eine molekulare Dynamik und eine Netzplantechnik, Langmuir 13, 1199-1204, 1997.
18. M. Jorge, C. Schumacher und N.A. Seaton, Simulationsstudie des Effektes der chemischen Uneinheitlichkeit von Aktivkohle auf Wasseraufnahme, Langmuir 18, 9296-9306, 2002.
19. F. Rodríguez-Reinoso, die Rolle von Kohlenstoffmaterialien in der heterogenen Katalyse, Kohlenstoff 36, 159-175, 1998.
20. M. Biggs und P. Agarwal, Massendiffusion von Atomflüssigkeiten in den gelegentlichen Mikroporenplatz unter Verwendung Gleichgewicht Molekulardynamik, Phys. Rev. 46, 3312-3318, 1992.
21. M. Biggs und P. Agarwal, Massendiffusion von zweiatomigen Flüssigkeiten in den gelegentlichen Mikroporenplatz unter Verwendung Gleichgewicht Molekulardynamik, Phys. Rev. E 49, 531-537, 1994.
22. T.J. Bandosz, M.J Biggs, K.E. Gubbins, Y. Hattori, T. Iiyama, K. Kaneko, J. Pikunic und K. Thomson, Molekulare Baumuster von porösen Kohlenstoffen, Chem. Phys. Kohlenstoff 28, 41-228, 2003.
23. M.J. Biggs und A. Buts, Virtuelle Poröse Kohlenstoffe: Sie sind, für Was sie und was verwendet werden können, Mol. Sim. 32, 579-593, 2006.
24. Q. Cai, A. Buts, N.A. Seaton und M.J. Biggs, A-Porennetzbaumuster für Diffusion in den nanoporous Kohlenstoffen: Bestätigung durch Simulation der molekularen Dynamik, Chem. Engng. Sci. 63, 3319-3327, 2008.
25. V. Petkov, R.G. DiFrancesco, S.J.L. Billinge, M. Acharya und H.C. Foley, Lokale Zelle von nanoporous Kohlenstoffen, Phil. Mag. B79, 1519-1530, 1999.
26. K.T. Thomson und K.E. Gubbins, strukturelle Morphologie von mikroporösen Kohlenstoffen durch Rück-Monte Carlo Formend, Langmuir 16, 5761-5773, 2000.
27. J. Pikunic; C. Clinard; N. Cohaut; K.E. Gubbins, J.M. Guet, R.J.M. Pellenq, I. Rannou und J.N. Rouzaud, Strukturelle Formung von porösen Kohlenstoffen: begrenzte RückMonte-Carlo-Methode, Langmuir 19, 8563-8582, 2003.
28. P. Zetterström, S. Urbonaite, F. Lindberg, R.G. Delaplane, J. Leis und G. Svensson, Rück-Monte Carlo Studien des nanoporous Kohlenstoffes vom Tic, Phys.: Condens. Stoff 17, 3509-3524, 2005.
29. S.K. Jain, K.E Gubbins, R.J.M Pellenq und J.P. Pikunic, Molekulare Formung und Aufnahmeeigenschaften von porösen Kohlenstoffen, Kohlenstoff 44, 2445-2451, 2006.
30. T.X. Nguyen, N. Cohaut, J.S. Bae und S.K. Bhatia, Neue Methode für die atomistische Formung der Mikrostruktur der Aktivkohlen unter Verwendung hybrider Rück-Monte Carlo Simulation Langmuir 24, 7912-7922, 2008.
31. S. Furmaniak, A.P. Terzyk, P.A. Gauden, P.J.F. Harris PJF und P. Kowalczyk, Kann Kohlenstoffoberflächenoxidation die Porengrößenverteilungskurve verschieben, die von AR, von N und von den CO-2 Aufnahmeisothermen2 berechnet wird? Simulation resultiert für ein realistisches Kohlenstoffbaumuster, J. Phys.: Condens. Stoff 21, 315005, 2009.

Copyright AZoNano.com, Professor Kennzeichen J. Biggs (die Universität von Adelaide)

Date Added: Apr 8, 2010 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 01:24

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