Carbones de Nanoporous pour des Défis Grands D'aujourd'hui : Quelques Opportunités et Barrages

par Prof. Mark Biggs

Professeur Note J. Biggs, Chef de l'École, École du Génie Chimique ; Bio et de Nanoengineering de Corps Enseignant Organisme de Recherche de Directeur, L'Université d'Adelaïde, Australie
Auteur Correspondant : mark.biggs@adelaide.edu.au

Les instruit-fuselages Variés1,2 et même les Prix Nobel3 ont au cours des dernières années récentes ont recensé un domaine des Défis Grands que l'Humanité doit relever pendant les prochaines décennies afin d'assurer la survie de notre mode de vie - aborder les causes d'origine du changement climatique tout en faisant face à des augmentations énormes de demande énergétique, réduisant notre incidence sur l'environnement plus large, exploitant nos ressources naturelles plus efficacement, assurant les alimentations adéquates en eau potable sûre, et la défense contre le terrorisme sont juste quelques uns de ces défis principaux.

Les carbones de Nanoporous ont longtemps joué un rôle dans les zones associées avec ces Défis Grands (par exemple purification d'eau potable ; capture des composés organiques volatils de l'industrie ; les masques de gaz), mais eux ont un rôle toujours plus grand à jouer dans le contrat à terme. Par exemple, les carbones nanoporous sont au noyau des Batteries lithium-ion, qui4 doivent être utilisées pour augmenter considérablement le domaine du prochain rétablissement des véhicules hybrides -5 c'est essentielle à réduire des émissions de CO2 du transport, qui6 représente un tiers de toutes telles émissions. 7

Ces batteries et supercapacitors carbone-basés nanoporous sont développés pour le stockage de l'énergie des sources renouvelables intermittentes telles que le vent trop8 - un tel stockage de l'énergie est essentiel à l'utilisation de large échelle de l'énergie renouvelable.6 Les carbones de Nanoporous sont également une alternative sérieuse pour séparer la CO2 des flots de gaz d'échappement, 9 qui fait partie de la soi-disant stratégie de capture et « de séquestration de carbone » qu'on poursuivent dans un effort pour assurer la future utilisation du charbon comme essence.6 En Conclusion, les carbones nanoporous imbibés peuvent être des supports mémoire pertinents d'hydrogène10 - l'absence actuelle d'une telle technologie est un barrage important à la réalisation de la « économie d'hydrogène ».6

Ainsi quel est ce matériau magique que nous appelons « le carbone nanoporous » ? Certains peuvent identifier les conditions plus anciennes de mode « du charbon actif » ou « du carbone microporeux » - le carbone nanoporous entourent ces matériaux carbonés non cristallins ainsi que formes plus nouvelles de carbone poreux telles que des nanotubes de carbone et des carbones templated. Les carbones de Nanoporous sont des matériaux dominés par le carbone hautement poreux qui contiennent presque toujours de petites quantités de heteroatoms tels que l'oxygène, hydrogène, et, selon leur origine, azote, soufre et même atomes « de métaux lourds ».

Le pore « largeurs » en ces matériaux s'échelonnent type de moins qu'un nanomètre à 10s des nanomètres et encore plus grand. La taille et la géométrie des pores combinés avec la nature des carbones nanoporous de moyens squelettiques solides de carbone ont les grandes surfaces11 - valeur d'en général 1 à 15 courts de tennis par gramme de matériau - comparées à beaucoup d'autres matériaux poreux. Les tailles de pore et les grandes surfaces, la facilité avec lesquelles elles peuvent être modifiées, et l'inertie relative du carbone nanoporous sont juste quelques unes des raisons pour lesquelles c'est un matériau si populaire.

En Dépit de leur longue histoire de l'exploitation, on peuvent être étonnés d'apprendre que le test et erreur expérimental domine toujours le développement de beaucoup de carbones nanoporous, particulièrement les formes moins cristallines, au moins à partir d'un point de vue moléculaire. L'utilisation limitée de la modélisation moléculaire dans le design des formes moins cristallines du carbone nanoporous peut être contrastée avec son utilisation pour des zéolites12 et d'autres matériaux cristallins tels que les cadres métallo-organiques13 où une cellule d'ensemble identifiable facilite grand la modélisation.

Pour beaucoup de carbones nanoporous, le soi-disant modèle de « fente-pore » (voyez que le Schéma 1) - qui remonte au moins à Emmett pendant les années 194014 - a été utilisé en tant que cellule d'ensemble de proxy. L'installation de ce modèle plus généralement a été prouvée beaucoup de fois. Par exemple, elle continue à soutenir plusieurs des méthodes expérimentales de caractérisation de carbone employées aujourd'hui. Elle a été également employée au début des années 90 conjointement avec la simulation moléculaire de l'adsorption de méthane pour recenser la taille et les conditions optimales de pore pour la mémoire adsorbée de gaz naturel.15

Figure. 1. Le modèle de fente-pore d'Emmett14 : une largeur h de pore est définie par les surfaces basiques de deux a opposé les cases semi-infinies du graphite. Pendant Que l'examen de Bandosz indique22 et autres, ce modèle a été employé considérable avec la simulation moléculaire pour étudier l'adsorption, la diffusion et la réaction en carbones nanoporous. Note J. Biggs 2010 de ©.

En Dépit de la popularité du modèle de fente-pore d'Emmett, elle manque également beaucoup de détails des carbones qui peuvent jouer des rôles majeurs dans beaucoup de circonstances. Par exemple, l'adsorption dans les pores avec les parois minces suggérées par expérience diffère de celle du modèle de pore de fente.16 Le modèle également n'admet pas les longueurs finies de pore, qui peuvent être une source importante de surface, 11 ni la topologie de système de pore qui est connue pour être importante dans la diffusion.17 En Conclusion, il ne permet pas l'inclusion des heteroatoms d'une façon réaliste, qui sont centraux à la mémoire d'hydrogène, 10 adsorption des liquide polaires et ioniques, 18 et de la catalyse19 et entre autres phénomènes et technologies.

Les points faibles du fente-pore Biggs encouragé par modèle pendant les années 199020,21 pour développer un modèle des carbones nanoporous, nommé le Carbone Poreux Virtuel (VPC), de qui capture au moins qualitativement certaines des choses qui étaient manquantes du modèle de pore de fente (voient le Schéma 2). Pendant Que les révisions invitées récentes indiquent, 23 cet élan a été employé considérable pour comprendre mieux les principes de l'adsorption et de la diffusion en carbones, et évalue et développe des méthodes et, récemment, des modèles adsorption-basés améliorés de caractérisation pour la diffusion en carbones.24

Le Schéma 2. Instantané d'une simulation de Monte Carlo de la simulation de dynamique moléculaire d'adsorption (haut) et de non-équilibre du transport de masse (bas) sur un Carbone Poreux Virtuel (VPC) de Biggs. Dans la première image, les atomes de carbone et les molécules liquides sont affichés dans gris et bleu respectivement. Dans l'image inférieure, les voies prises par le liquide par le VPC sous un gradient de pression (agissant du de droite à gauche) sont affichées par l'enveloppe bleue, qui a été coupure-ouverte dans les places pour indiquer la zone liquide de vitesse (rouge le plus haut à plus à vitesse réduite bleu-foncé). Note J. Biggs 2010 de ©.

D'Autres modèles de VPC ont semblé pendant des années plus récentes, y compris une classe des modèles qui utilisent Monte Carlo Inverse, une soi-disant méthode inverse, forcer les modèles pour apparier des mesures directes de la structure microscopique du carbone d'objectif tel que la fonction de répartition radiale de carbone-carbone obtenue à partir de la diffraction des rayons X.25-31 En Dépit de ces avances, même les modèles de VPC les plus sophistiqués d'aujourd'hui manquent beaucoup de petits groupes qui sont souvent centraux à la performance des carbones comprenant la demande de règlement adéquate des heteroatoms et de la commande structurelle au delà de 1-2 nanomètre. Ces délivrances avec le problème d'unicité qui assiste à toutes les méthodes inverses doivent être abordées avant que des VPC puissent être utilisés dans le contexte de design - ce travail est actuel en cours dans le laboratoire de Professeur Biggs À l'Université d'Adelaïde.


Références

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Droit d'auteur AZoNano.com, Professeur Note J. Biggs (L'Université d'Adelaïde)

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

Last Update: 14. June 2013 01:20

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