今日の壮大な挑戦のための Nanoporous カーボン: ある機会および障壁

教授によって Mark Biggs

教授マーク J. Biggs の学校、化学工学の学校のヘッド; ディレクターの、生物及び Nanoengineering の能力の研究グループ、アデレード、オーストラリアの大学
対応する著者: mark.biggs@adelaide.edu.au

さまざまな博学ボディ1,2 およびノーベル賞受賞者は3 過去の最近の年にわたって識別しま人生のの私達の方法の存続を保障するために人間性が今後数十年の間にアドレス指定しなければなり壮大な挑戦の範囲を持っていて私達の天然資源を気候変動取り組み、安全な飲料水の十分な供給をより効率的に開発するより広い環境の私達の影響を減らすの根本的原因に間会うエネルギー需要の巨大な増加に保障します、テロリズムに対する防衛がちょうど少数のこれら主挑戦である。

Nanoporous カーボンは長く飲料水とのこれらの壮大な挑戦 (例えば浄化関連付けられる領域の役割を担ってしまいました; 企業からの揮発有機化合物の捕獲; ガスマスクに)、しかし未来に遊ぶべきより大きい役割があります。 例えば、 nanoporous カーボンは大幅にハイブリッドカーの次世代の4 範囲を増加するのに使用されるリチウムイオン電池のコアにあります、 -5 これはすべてのそのような放出の2 三番目を説明する輸送6 からの CO の放出の減少に必要です。 7

これらの電池および nanoporous カーボンベースの supercapacitors は風のような断続的で回復可能なソースからのエネルギー蓄積のために余りに開発されています8 - そのようなエネルギー蓄積は再生可能エネルギーの大規模の使用に必要です。6 Nanoporous カーボンはまた多数が燃料として石炭2 の将来の利用に保障するために9 追求しているいわゆる 「カーボン捕獲および隔離」の作戦の一部分の排気ガスのストリームから CO を分けるための深刻な代わりです。6 最後に、浸透させた nanoporous カーボンは有効な水素の記憶媒体であるかもしれません10 - そのよう技術の現在の不在は 「水素経済」のの認識へ主要な障壁です。6

従って私達が 「nanoporous カーボン」を呼出すこの魔法材料は何ですか。 一部は 「作動したカーボン」または 「微小孔のあるカーボン」のより古い方法タームを認識するかもしれません - nanoporous カーボンはカーボン nanotubes および templated カーボンのような多孔性カーボンのこれらの非結晶炭素質材料、また新しい形式を取囲みます。 Nanoporous カーボンは起源、窒素、硫黄および 「重金属の」原子によってほとんどの場合酸素、水素のような heteroatoms の少しを、含んでいる非常に多孔性のカーボン主導の材料であり。

これらの材料の気孔 「幅」は nanometres の 10s までよりより少しから普通ナノメーターおよびより大きい及びます。 固体カーボン骨組平均 nanoporous カーボンの性質と結合される気孔のサイズにそして幾何学に他の多くの多孔性材料11 と比較される大きい表面積 - 材料の 1 グラムあたり普通 1 つから 15 のテニスコートの価値 - があります。 それが非常に普及した材料なぜであるか修正することができる気孔のサイズおよび大きい表面積、容易さおよび nanoporous カーボンの相対的な inertness は理由のほんの一部です。

開発の長い歴史にもかかわらず、実験トライアル・アンド・エラーがまだ多くの nanoporous カーボンの開発を支配する多数は、分子見通しからの特により少なく結晶形式、少なくとも学ぶために驚くかもしれません。 nanoporous カーボンのより少なく結晶形式のデザインの分子模倣の限定使用は確認可能な単位格子が模倣することを非常に促進する12 金属有機性フレームワークのようなゼオライトそして他の結晶13 材料のための使用と対比することができます。

多くの nanoporous カーボンのため、 40 年代の少なくとも Emmett に遡る図 1) がプロキシの単位格子として - 使用された14 いわゆる 「スリット気孔」モデル (見て下さい。 このモデルのユーティリティはもっと一般に何回も証明されました。 例えば、それは今日使用される実験カーボン性格描写方法の多数を支え続けます。 またメタンの吸着の分子シミュレーションと共に吸着された天燃ガスの記憶のための最適の気孔のサイズそして条件を識別することを 1990年代初期に使用しました。15

図。 1。 Emmett14 のスリット気孔モデル: 気孔の幅 h は 2 の基底の表面によって反対しましたグラファイトの半無限ブロックに定義されます。 Bandosz の検討が等明記する22 と同時に nanoporous カーボンの吸着、拡散および反作用を調査するのに、分子シミュレーションとこのモデルが広く使用されていました。 © のマーク J. Biggs 2010 年。

Emmett のスリット気孔モデルの人気にもかかわらず、それはまた重要な役割を多くの場合担うことができるカーボンの多くの細部を省略します。 例えば、実験によって提案されるスリット気孔モデルのそれと薄い壁が付いている気孔の吸着は異なります。16 モデルはまた表面積の重要なもとである場合もある拡散で11 重要であると知られている気孔システム位層幾何学を是認しません有限な気孔の長さを。17 最後に、それは水素の記憶、北極およびイオンの液体の吸着に中央である、および10 触媒作用そして他の現象および技術可能にしません18 の中の heteroatoms19 の包含を現実的な方法の。

90 年代のスリット気孔モデルによって励まされる Biggs の20,21 欠点は開発するスリット気孔モデルから抜けていた ( (VPC)事の少なくともいくつかを質的に捕獲する仮想多孔性カーボンと名づけられる nanoporous カーボンモデルを図 2) を見ます。 最近の誘われた検討が明記すると同時によりよく23 カーボンの吸着そして拡散の基礎を理解するのに、このアプローチが広く使用され、カーボンの拡散のための改善された吸着ベースの性格描写方法そして、モデルを最も最近査定し、そして開発します。24

Biggs の仮想多孔性カーボンの多く輸送 (底) の吸着 (上) および非平衡の分子動力学法のシミュレーションのモンテカルロのシミュレーションからの図 (VPC) 2. スナップショット。 上の画像では、炭素原子および流動分子は灰色および青でそれぞれ示されています。 最下の画像では、圧力勾配の下で VPC によって液体によって (から右から左に機能する) 取られるパスは流動ずっと速度フィールドを青いエンベロプによって示されています、 (濃紺の低速に最も高く赤い) 明らかにするために場所で切口開いている。 © のマーク J. Biggs 2010 年。

他の VPC モデルは逆のモンテカルロを使用するモデルのクラスを含む最近の年に、いわゆる反対方法、 X 線回折から得られるカーボンカーボン放射状の分布関数のようなターゲットカーボンの顕微鏡の構造の直接手段に一致させるためにモデルを強制したようです。25-31 これらの前進にもかかわらず、今日の最も洗練された VPC モデルによっては頻繁に 1-2 nm を越える heteroatoms そして構造順序の十分な処置を含むカーボンのパフォーマンスに中央である多くの細部が抜けています。 すべての反対方法に出席する独自性問題と共にこれらの問題は VPCs がデザイン文脈で使用することができる前にですアデレードの大学教授Biggs 実験室で現在進行中 - この作業扱われなければなりません。


参照

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教授マーク J. Biggs (アデレードの大学)、版権 AZoNano.com

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

Last Update: 14. June 2013 01:31

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