Carbones de Nanoporous para los Retos Magníficos De Hoy: Algunas Oportunidades y Barreras

por Profesor Mark Biggs

Profesor Marca J. Biggs, Jefe de la Escuela, Escuela de la Ingeniería Química; Grupo del Director, Bio y de Nanoengineering de la Facultad de Investigación, La Universidad de Adelaide, Australia
Autor Correspondiente: mark.biggs@adelaide.edu.au

Los Diversos docto-cuerpos1,2 e incluso Premios Nobel3 tienen durante los últimos últimos años determinaron un rango de los Retos Magníficos que la Humanidad debe dirigir en las décadas que vienen para asegurar la supervivencia de nuestra manera de vida - abordar las causas originales del cambio de clima mientras que resuelve aumentos enormes en demanda energética, reduciendo nuestro impacto en el ambiente más ancho, explotando nuestros recursos naturales más eficientemente, asegurando fuentes adecuadas de agua potable segura, y la defensa contra terrorismo es apenas algunos de éstos los retos dominantes.

Los carbones de Nanoporous han desempeñado de largo un papel en las áreas asociadas a estos Retos Magníficos (e.g purificación del agua potable; captura de pastas orgánicas volátiles de la industria; las caretas antigás), pero ellas tienen un papel siempre más grande a jugar en el futuro. Por ejemplo, los carbones nanoporous están en la base de las Baterías de ión de litio, que4 deben ser utilizadas para aumentar substancialmente el rango de la generación siguiente de vehículos híbridos -5 esto es esencial para reducir emisiones del CO2 del transporte, que6 explica un tercero de todas tales emisiones. 7

Estas baterías y supercapacitors carbón-basados nanoporous se están desarrollando para el almacenamiento de energía de fuentes renovables intermitentes tales como viento también8 - tal almacenamiento de energía es esencial para el uso del gran escala de la energía renovable.6 Los carbones de Nanoporous son también una opción seria para separar el CO2 de secuencias del gas de escape, 9 que es parte de la supuesta “estrategia de la captura y del secuestro del carbón” que muchos están persiguiendo en un esfuerzo de asegurar el uso futuro del carbón como combustible.6 Finalmente, los carbones nanoporous impregnados pueden ser media de almacenamiento efectivos del hidrógeno10 - la ausencia actual de tal tecnología es una barrera importante a la realización de la “economía del hidrógeno”.6

¿Cuál es Tan este material mágico que llamamos el “carbón nanoporous”? Algunos pueden reconocer los más viejos términos de la moda del “carbón activado” o del “carbón microporoso” - el carbón nanoporous abarca estos materiales carbonáceos no cristalinos así como formularios más nuevos del carbón poroso tales como nanotubes del carbón y carbones templated. Los carbones de Nanoporous son los materiales carbón-dominados altamente porosos que contienen casi siempre pequeñas cantidades de heteroatoms tales como oxígeno, hidrógeno, y, dependiendo de su origen, nitrógeno, azufre e incluso átomos “de metales pesados”.

El poro “anchos” en estos materiales coloca típicamente menos que los nanómetros a través a 10s de nanometres e incluso más grande. La talla y la geometría de los poros combinados con la naturaleza de los carbones nanoporous de los medios esqueléticos sólidos del carbón tienen superficies grandes11 - valor de típicamente 1 a 15 campos de tenis por el gramo de material - comparadas a muchos otros materiales porosos. Las tallas del poro y las superficies grandes, la facilidad con las cuales pueden ser modificadas, y la inercia relativa del carbón nanoporous son apenas algunas de las razones por las que es un material tan popular.

A Pesar De su larga historia de la explotación, muchos se pueden sorprender aprender que el ensayo y error experimental todavía domina el revelado de muchos carbones nanoporous, especialmente los formularios menos cristalinos, por lo menos de una perspectiva molecular. El uso limitado del modelado molecular en el diseño de formularios menos cristalinos del carbón nanoporous se puede poner en contraste con su uso para las zeolitas12 y otros materiales cristalinos tales como armazones metalorgánicos13 donde una célula de unidad identificable facilita grandemente el modelar.

Para muchos carbones nanoporous, el supuesto modelo del “ranura-poro” (véase que el Cuadro 1) - que data por lo menos de Emmett en los años 4014 - se ha utilizado como célula de unidad del poder. El utilitario de este modelo se ha probado más generalmente muchas veces. Por ejemplo, continúa apuntalar muchos de los métodos experimentales de la caracterización del carbón usados hoy. También fue utilizado en el principio de los 90 conjuntamente con la simulación molecular de la adsorción del metano para determinar la talla y las condiciones óptimas del poro para el almacenamiento de gasolina natural adsorbido.15

Figura. 1. El modelo del ranura-poro de Emmett14: un ancho h del poro es definido por las superficies básicas de dos opuso bloques semiinfinitos del grafito. Mientras Que la revista de Bandosz y otros22 indica, este modelo se ha utilizado extensivamente con la simulación molecular para estudiar la adsorción, la difusión y la reacción en carbones nanoporous. Marca J. Biggs 2010 del ©.

A Pesar Del renombre del modelo del ranura-poro de Emmett, también omite muchos detalles de los carbones que pueden desempeñar papeles importantes en muchas condiciones económicas. Por ejemplo, la adsorción en poros con las paredes finas sugeridas por el experimento difiere de la del modelo del poro de la ranura.16 El modelo también no admite las longitudes finitas del poro, que pueden ser una fuente importante de la superficie, 11 ni la topología del sistema del poro que se sabe para ser importante en la difusión.17 Finalmente, no permiso la partícula extraña de los heteroatoms de una manera realista, que son centrales al almacenamiento del hidrógeno, 10 adsorción de líquidos polares e iónicos, 18 y de la catálisis19 y entre otros fenómenos y tecnologías.

Los defectos del ranura-poro Biggs animado modelo en los años 9020,21 para desarrollar un modelo de carbones nanoporous, llamado el Carbón Poroso Virtual (VPC), del cual captura por lo menos cualitativo algunas de las cosas que faltaban del modelo del poro de la ranura (véase el Cuadro 2). Mientras Que las revistas invitadas recientes indican, 23 esta aproximación se ha utilizado extensivamente para entender mejor los fundamentales de la adsorción y de la difusión en carbones, y evalúa y desarrolla métodos y, recientemente, los modelos adsorción-basados mejorados de la caracterización para la difusión en carbones.24

Cuadro 2. Foto de una simulación de Monte Carlo de la simulación de la dinámica molecular de la adsorción (parte superior) y del desequilibrio del transporte en masa (parte inferior) en un Carbón Poroso Virtual (VPC) de Biggs. En la imagen superior, los átomos de carbón y las moléculas flúidas se muestran en gris y azul respectivamente. En la imagen inferior, los caminos tomados por el líquido con VPC bajo gradiente de presión (que actúa de derecha a izquierda) son mostrados por el envolvente azul, que ha estado corte-abierto en lugares revelar el campo flúido de la velocidad (rojo lo más arriba posible a la más de poca velocidad azul marino). Marca J. Biggs 2010 del ©.

Otros modelos de VPC han aparecido en años más últimos, incluyendo una clase de los modelos que utilizan Monte Carlo Reverso, un supuesto método inverso, forzar los modelos para corresponder con dimensiones directas de la estructura microscópica del carbón de la meta tal como la función de distribución radial del carbón-carbón obtenida de la difracción de Radiografía.25-31 A Pesar De estos avances, incluso los modelos más sofisticados de VPC del hoy están faltando a muchos detalles que sean a menudo centrales al funcionamiento de carbones incluyendo el tratamiento adecuado de heteroatoms y de la orden estructural más allá de 1-2 nanómetro. Estas ediciones junto con el problema de la unicidad que asiste a todos los métodos inversos se deben abordar antes de que VPCs se pueda utilizar en el contexto del diseño - este trabajo están actualmente en curso en el laboratorio de Profesor Biggs en La Universidad de Adelaide.


Referencias

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Derechos De Autor AZoNano.com, Profesor Marca J. Biggs (La Universidad de Adelaide)

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

Last Update: 14. June 2013 01:55

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