Carboni di Nanoporous per le Odierne Grandi Sfide: Alcune Opportunità e Barriere

da Prof. Mark Biggs

Il Professor Segno J. Biggs, Testa del Banco, Banco di Ingegneria Chimica; Bio- & di Nanoengineering della Facoltà Gruppo Di Ricerca di Direttore, L'Università di Adelaide, Australia
Autore Corrispondente: mark.biggs@adelaide.edu.au

I Vari istruito-organismi1,2 e perfino Premi Nobel3 hanno nel corso degli anni recenti scorsi hanno identificato un intervallo di Grandi Sfide che l'Umanità deve indirizzare nelle decadi venenti per assicurare la sopravvivenza del nostro modo di vita affrontando le cause di origine di mutamento climatico mentre facendo fronte agli aumenti enormi nella domanda di energia, diminuenti il nostro impatto sull'più ampio ambiente, sfruttante più efficientemente le nostre risorse naturali, assicurando le offerte adeguate di acqua potabile sicura e la difesa contro il terrorismo è appena alcuni di questi sfide chiave.

I carboni di Nanoporous lungamente hanno svolto un ruolo nelle aree connesse con queste Grandi Sfide (per esempio depurazione di acqua potabile; bloccaggio dei composti organici volatili da industria; le maschere antigas), ma essi hanno un ruolo mai più grande nel futuro. Per esempio, i carboni nanoporous sono alla memoria degli Accumulatori liti-ione, che4 devono essere usati per aumentare sostanzialmente l'intervallo della generazione seguente di veicoli ibridi -5 questo è essenziale a diminuire le emissioni di CO2 dal trasporto, che6 rappresenta un terzo di tutte le tali emissioni. 7

Questi batterie e a supercapacitors basati a carbonio nanoporous stanno sviluppandi per immagazzinamento dell'energia dalle sorgenti rinnovabili intermittenti quale vento ugualmente8 - tale immagazzinamento dell'energia è essenziale ad uso della larga scala di energia rinnovabile.6 I carboni di Nanoporous sono egualmente un'alternativa seria per la separazione del CO2 dai flussi del gas di scarico, 9 che fa parte di cosiddetta “strategia di bloccaggio e del sequestro del carbonio„ che molti stanno perseguendo in uno sforzo per assicurare l'uso futuro di carbone come combustibile.6 Per Concludere, i carboni nanoporous impregnati possono essere efficaci supporti di memorizzazione dell'idrogeno10 - l'assenza corrente di qualsiasi tecnologia è una barriera importante alla realizzazione “dell'economia dell'idrogeno„.6

Così che cosa è questo materiale che magico chiamiamo “il carbonio nanoporous„? Alcuni possono riconoscere i termini più vecchi di modo “di carbonio attivato„ o “di carbonio microporoso„ - il carbonio nanoporous comprende questi materiali carboniosi non cristallini come pure moduli più novelli di carbonio poroso quali i nanotubes del carbonio ed i carboni templated. I carboni di Nanoporous sono da materiali dominati da carbonio altamente porosi che contengono quasi sempre le piccole quantità di eteroatomi quale ossigeno, idrogeno e, secondo la loro origine, azoto, zolfo e perfino atomi “di metalli pesanti„.

Il poro “larghezze„ in questi materiali varia tipicamente da di meno che un nanometro da parte a parte a 10s dei nanometri e perfino più grande. La dimensione e la geometria dei pori combinati con la natura dei carboni nanoporous di mezzi di scheletro solidi del carbonio hanno grandi aree11 - un valore di in genere 1 - 15 campi da tennis per grammo di materiale - confrontate a molti altri materiali porosi. Le dimensioni del poro e le grandi aree, la facilità con cui possono sia essere modificate che l'inerzia relativa di carbonio nanoporous sono appena alcune delle ragioni per le quali è così materiale popolare.

Malgrado la loro lunga storia di sfruttamento, molti possono essere sorpresi imparare che l'prova-e-errore sperimentale ancora domina lo sviluppo di molti carboni nanoporous, particolarmente i moduli meno cristallini, almeno da una prospettiva molecolare. L'uso limitato di modellistica molecolare nella progettazione dei moduli meno cristallini di carbonio nanoporous può essere contrapposto con il suo uso per le zeoliti12 ed altri materiali cristallini quali le strutture metallorganiche13 in cui una cella di unità identificabile notevolmente facilita modellare.

Per molti carboni nanoporous, il cosiddetto modello “del fessura-poro„ (vedi che Figura 1) - che data almeno da Emmett negli anni 4014 - è stata usata come cella di unità di proxy. L'utilità di questo modello è stata provata più generalmente molte volte. Per esempio, continua a sostenere molti dei metodi sperimentali di caratterizzazione del carbonio impiegati oggi. Egualmente è stata utilizzata nell'inizio degli anni 90 insieme con simulazione molecolare dell'adsorbimento del metano per identificare la dimensione ed i termini ottimali del poro per archiviazione adsorbita del gas naturale.15

Figura. 1. Il modello del fessura-poro di Emmett14: una larghezza h del poro è definita dalle superfici basali di due si è opposta ai blocchi semi-infiniti di grafite. Mentre l'esame di Bandosz et al.22 indica, questo modello è stato usato estesamente con simulazione molecolare per studiare l'adsorbimento, la diffusione e la reazione in carboni nanoporous. Segno J. Biggs 2010 del ©.

Malgrado la popolarità del modello del fessura-poro di Emmett, egualmente omette molti dettagli dei carboni che possono svolgere i ruoli importanti in molte circostanze. Per esempio, l'adsorbimento in pori con le pareti sottili suggerite dall'esperimento differisce da quello del modello del poro della fessura.16 Il modello egualmente non ammette le lunghezze limitate del poro, che possano essere una sorgente significativa di area, 11 né la topologia del sistema del poro che sia conosciuta per essere importante nella diffusione.17 Per Concludere, non permette l'inclusione degli eteroatomi in un modo realistico, che sono centrali ad archiviazione dell'idrogeno, 10 l'adsorbimento dei liquidi polari ed ionici18 e nella catalisi19 e fra altri fenomeni e tecnologie.

Le imperfezioni del fessura-poro Biggs incoraggiante modello negli anni 9020,21 per sviluppare un modello dei carboni nanoporous, definito Carbonio Poroso Virtuale (VPC), di che cattura qualitativamente almeno alcune delle cose che mancavano dal modello del poro della fessura (vedono Figura 2). Mentre gli esami invitati recenti indicano, 23 questo approccio è stato usato estesamente per capire meglio i fondamenti dell'adsorbimento e della diffusione in carboni e valuta e sviluppa a metodi e, recentemente, ai i modelli basati a adsorbimento migliori di caratterizzazione per la diffusione in carboni.24

Figura 2. Istantanea da una simulazione di Monte Carlo di simulazione di dinamica molecolare di adsorbimento (cima) e di non equilibrio di trasporto di massa (fondo) su un Carbonio Poroso Virtuale (VPC) di Biggs. Nell'immagine superiore, gli atomi di carbonio e le molecole fluide sono indicati rispettivamente in grigio ed in blu. Nell'immagine inferiore, le vie catturate dal liquido con VPC nell'ambito di un gradiente di ricerca (che agisce dalla destra a sinistra) sono indicate dalla busta blu, che è stata aperta tagliando nei posti per rivelare il campo fluido di velocità (rosso il più su ad più a bassa velocità blu scuro). Segno J. Biggs 2010 del ©.

Altri modelli di VPC sono sembrato durante gli anni più recenti, compreso classe A di modelli che usano Monte Carlo Inversa, un cosiddetto metodo inverso, forzare i modelli per abbinare le misure dirette della struttura microscopica del carbonio dell'obiettivo quale la funzione di distribuzione radiale del carbonio-carbonio ottenuta da Diffrazione ai raggi X.25-31 Malgrado questi avanzamenti, anche i modelli di VPC più specializzati dell'oggi stanno mancando molti dettagli che sono spesso centrali alla prestazione dei carboni compreso il trattamento adeguato degli eteroatomi e dell'ordine strutturale oltre 1-2 nanometro. Queste emissioni con il problema dell'unicità che assiste a tutti i metodi inversi devono essere affrontate prima che VPCs possa essere utilizzato nel contesto di progettazione - questo lavoro è corrente in corso nel laboratorio del Professor Biggs All'Università di Adelaide.


Riferimenti

1. G.S. Omenn, “Grandi Sfide e gran opportunità nella scienza, nella tecnologia e nell'ordine pubblico„, Scienza 314, 1696-1704, 2006.
2. G. Ellis, Grandi sfide per l'organizzazione, Chim. Ing Prog. 104(4): 11-13, 2008.
3. R.E. Smalley, Sfide dell'Istituto di Smalley Grandi, 2003. A cnst.rice.edu/content.aspx?id=246 (raggiunto il 25 gennaio 2010).
4. M. Endo, C. Kim, K. Nishimura, T. Fujino e K. Miyashita, sviluppo Recente dei materiali di carbonio per le batterie dello ione di Li, Carbonio 38, 183-197, 2000.
5. J. Voelcker, Batterie al Litio per le Automobili Ibride, 2007. A spectrum.ieee.org/green-tech/advanced-cars/lithium-batteries-for-hybrid-cars (raggiunto il 25 gennaio 2010).
6. Nuova Scienza per un Futuro Sicuro & Sostenibile di Energia. Dipartimento Per L'Energia di STATI UNITI, 2008. A sc.doe.gov/bes/reports.
7. Outlook di Energia Mondiale 2008. Agenzia internazionale per l 'energia: Parigi, 2008.
8. J.R. Miller e P. Simon, condensatori Elettrochimici per la gestione di energia, Scienza 321, 651-652, 2008.
9. M.G. Plaza, C. Pevida, B. Arias, J. Fermoso, M.D. Casal, C.F. Martín, F. Rubiera e J.J. Pis, Sviluppo agli degli adsorbenti basati a biomassa a basso costo per il bloccaggio di CO2 di post-combustione, Combustibile 88, 2442-2447, 2009.
10. L. Wang e R.T. Yang, beni di archiviazione dell'Idrogeno di carbonio microporoso N-Verniciato, J. Phys. Chim. C 113, 21883-21888, 2009.
11. K. Kaneko, C. Ishii, M. Ruike e H. Kuwabara, Origine di area superhigh e delle strutture grafitiche microcristalline dei carboni attivati, Carbonio 30, 1075-1088, 1992.
12. J.M. Thomas e R. Raja, Progettante i catalizzatori per tecnologia non inquinante, chimica verde e sviluppo sostenibile, Annu. Rev. Mater. Ricerca. 35, 315-350, 2005.
13. T. Düren, Y.S. Bae e R.Q. Snurr, Facendo Uso di simulazione molecolare per caratterizzare le strutture metallorganiche per le applicazioni di adsorbimento, Soc Rev. 38, 1237-1247, 2009 di Chim.
14. Misure di P.H. Emmett, di Adsorbimento e di poro-dimensione sui carboni e sui whetlerites, Rev. 43, 69-148, 1948 di Chim.
15. M.J. Bojan, R. Van Slooten e W. Steele, studi di Computer-Simulazione sull'archiviazione di metano in carboni microporosi, Settembre Sci. Tecnologia 27, 1837-1856, 1992.
16. S.K. Bhatia, analisi di Teoria Funzionale di Densità dell'influenza di eterogeneità della parete del poro su adsorbimento in carboni, Langmuir 18, 6845-6856, 2002.
17. N.A. Seaton, S.P. Friedman, J.M.D. MacElroy e B.J. Murphy, Il meccanismo di setacciamento molecolare in setacci molecolari del carbonio: Una dinamica molecolare e un'analisi del percorso critico, Langmuir 13, 1199-1204, 1997.
18. M. Jorge, C. Schumacher e N.A. Seaton, studio di Simulazione sull'effetto dell'eterogeneità chimica di carbonio attivato su adsorbimento dell'acqua, Langmuir 18, 9296-9306, 2002.
19. F. Rodríguez-Reinoso, Il ruolo dei materiali di carbonio nella catalisi eterogenea, Carbonio 36, 159-175, 1998.
20. M. Biggs e P. Agarwal, diffusione di massa Dei liquidi atomici negli spazi casuali del microporo facendo uso della molecolare-dinamica di equilibrio, Phys. Rev. I 46, 3312-3318, 1992.
21. M. Biggs e P. Agarwal, diffusione di massa Dei liquidi diatonici negli spazi casuali del microporo facendo uso della molecolare-dinamica di equilibrio, 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 e K. Thomson, Modelli molecolari dei carboni porosi, Chem. Phys. Carbonio 28, 41-228, 2003.
23. M.J. Biggs ed A. Buts, Carboni Porosi Virtuali: Che Cosa sono e cui possono essere usati per, Mol. Sim. 32, 579-593, 2006.
24. Q. Cai, A. Buts, N.A. Seaton e M.J. Biggs, modello di rete del poro di A per diffusione in carboni nanoporous: Convalida tramite simulazione di dinamica molecolare, Chem. Engng. Sci. 63, 3319-3327, 2008.
25. V. Petkov, R.G. DiFrancesco, S.J.L. Billinge, M. Acharya e H.C. Foley, struttura Locale dei carboni nanoporous, Phil. Mag. B79, 1519-1530, 1999.
26. K.T. Thomson e K.E. Gubbins, Modellante morfologia strutturale dei carboni microporosi da Monte Carlo Inversa, Langmuir 16, 5761-5773, 2000.
27. J. Pikunic; C. Clinard; N. Cohaut; K.E. Gubbins, J.M. Guet, R.J.M. Pellenq, I. Rannou e J.N. Rouzaud, modellistica Strutturale dei carboni porosi: Metodo Inverso costretto di Monte Carlo, Langmuir 19, 8563-8582, 2003.
28. P. Zetterström, S. Urbonaite, F. Lindberg, R.G. Delaplane, J. Leis e G. Svensson, Simulazioni Monte Carlo Inverse di carbonio nanoporous dal Tic, Phys.: Condens. Materia 17, 3509-3524, 2005.
29. S.K. Jain, K.E Gubbins, R.J.M Pellenq e J.P. Pikunic, modellistica Molecolare e beni di adsorbimento dei carboni porosi, Carbonio 44, 2445-2451, 2006.
30. T.X. Nguyen, N. Cohaut, J.S. Bae e S.K. Bhatia, Nuovo metodo per la modellistica atomistica della microstruttura dei carboni attivati facendo uso di simulazione Inversa ibrida Langmuir 24, 7912-7922, 2008 di Monte Carlo.
31. S. Furmaniak, A.P. Terzyk, P.A. Gauden, P.J.F. Harris PJF e P. Kowalczyk, Può l'ossidazione di superficie del carbonio spostare la curva di distribuzione di dimensione del poro calcolata dall'AR, da N e2 dalle isoterme dell'adsorbimento2 di CO? La Simulazione risulta per un modello realistico del carbonio, J. Phys.: Condens. Materia 21, 315005, 2009.

Copyright AZoNano.com, il Professor Segno J. Biggs (L'Università di Adelaide)

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

Last Update: 14. June 2013 01:28

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