오늘 웅대한 도전을 위한 Nanoporous 탄소: 몇몇 기회 및 방벽

교수에 의하여 Mark Biggs

교수 표 J. Biggs 의 학교, 화학 공학의 학교의 헤드; 디렉터의, 생물 & Nanoengineering 능력 연구 단체, 아델라이데, 호주의 대학
대응 저자: mark.biggs@adelaide.edu.au

각종 습득되 바디1,2 및 노벨상 수상자 조차3 과거 최근 년 내내 확인해 - 우리의 자연 자원을 기후 변화 다루는 우리의 인생 길의 생존을 지키기 위하여 인류가 앞으로 수십년안에 제시해야 하고 웅대한 도전의 범위를 가지고 있어, 안전한 식용수의 적당한 공급을 능률적으로 이용하는 더 넓은 환경에 대한 우리의 충격을 감소시키는의 기인을 하는 동안 충족시키 에너지 수요에 있는 거대한 증가를 지키, 공포정치에 대하여 방어가 이들의 다만 약간 중요한 도전인.

Nanoporous 탄소는 오래 식용수와의 이 웅대한 도전 (예를들면 정화 관련되었던 지역에 있는 역할을 했습니다; 기업에서 휘발성 유기화합물의 붙잡음; 방독면에는), 그러나 미래로 언젠가 더 큰 역할이 있습니다. 예를 들면, nanoporous 탄소는 상당히 잡종 차량의 차세대의4 범위를 증가시키기 위하여 사용될 것인 리튬 이온 건전지의 코어에 있습니다, -5 이것은 그 같은 방출 전부의2 세 번째에 대하여 설명하는 수송6 에서 지휘관 방출을 감소시키기 필수적입니다. 7

이 건전지 및 nanoporous 탄소 기지를 둔 supercapacitors는 바람과 같은 간헐적인 갱신할 수 있는 근원에서 에너지 저장을 위해 너무 개발되고 있습니다8 - 그 같은 에너지 저장은 재생 가능 에너지의 대규모 사용에 필수적입니다.6 Nanoporous 탄소는 또한 연료로 석탄의2 미래 사용에게 확실하게 하기 위하여 많은 것이9 추격하고 있는 소위 "탄소 붙잡음과 격리" 전략의 일부분인 배기 개스 스트림에서 지휘관 분리를 위한 심각한 대안입니다.6 마지막으로, 임신된 nanoporous 탄소는 효과적인 수소 저장 수단일지도 모릅니다10 - 이 같이 기술 현재 결핍은 "수소 경제"의 현실화에 중요한 방벽입니다.6

따라서 우리가 "nanoporous 탄소"를 부르는 이 마술 물자는 무엇입니까? 몇몇은 "활성화한 탄소" "미소한 구멍이 있는 탄소"의 더 오래된 형식 기간을 인식할 수 있습니다 - nanoporous 탄소는 탄소 nanotubes와 templated 탄소와 같은 다공성 탄소의 이 비결정성 탄소질 물자 뿐 아니라 소설 형식을 포위합니다. Nanoporous 탄소는 그들의 기점, 질소, 황 및 "중금속" 원자 조차에 따라서 거의 반드시 산소 수소와 같은 heteroatoms의 소량을, 그리고, 포함하는 높게 다공성 탄소 지배한 물자입니다.

이 물자에서 숨구멍 "폭"는 nanometres의 10s에 보다는 더 적은에서 전형적으로 나노미터와 더 크 조차 처음부터 끝까지 구역 수색합니다. 단단한 탄소 해골 방법 nanoporous 탄소의 본질과 결합된 숨구멍의 규모에는 그리고 기하학에는 다른 많은 다공성 물자11 와 비교된 큰 표면 - 물자의 그램 당 전형적으로 1개에서 15의 테니스 코트 가치 -가 있습니다. 왜 그 같은 대중적인 물자인지 모두 변경될 수 있는 숨구멍 규모 및 큰 표면, 용이함, 및 nanoporous 탄소의 상대적인 둔함은 이유의 다만 약간입니다.

개발의 그들의 오래된 병력에도 불구하고, 많은 것은, 분자 관점에서 특히 보다 적게 크리스탈 양식, 적어도 실험적인 예심 및 과실이 아직도 많은 nanoporous 탄소의 발달을 지배한다는 것을 배우는 기습될 수 있습니다. nanoporous 탄소의 보다 적게 크리스탈 양식의 디자인에서 분자에게 만들기의 한정된 사용은 증명할 수 있는 단위 세포가 매우 만드는 촉진하는12 금속 유기 기구와 같은 비석 그리고 그밖 크리스탈13 물자를 위한 그것의 사용과 대조될 수 있습니다.

많은 nanoporous 탄소를 위해, 1940 년대에 있는 적어도 Emmett를 거슬러 올라가는 숫자 1)가 프록시 단위 세포로 - 이용되었다는 것을14 소위 "틈새 숨구멍" 모형 (보십시오. 이 모형의 공용품은 일반적으로 많은 시간 입증되었습니다. 예를 들면, 그것은 오늘 사용된 실험적인 탄소 특성 방법의 많은 것을 밑에서 버티는 것을 계속합니다. 그것은 또한 메탄 흡착의 분자 시뮬레이션 함께 흡착된 천연 가스 저장을 위한 최적 숨구멍 규모 그리고 조건을 확인하기 위하여 1990년대 초에 이용되었습니다.15

숫자. 1. Emmett14의 틈새 숨구멍 모형: 숨구멍 폭 h는 2의 기초 표면에 의해 반대했습니다 흑연의 반 무한한 구획을 정의됩니다. Bandosz의 검토가 그 외 여러분 표시하는22 때, 이 모형은 분자 시뮬레이션에 nanoporous 탄소에 있는 흡착, 유포 및 반응을 공부하기 위하여 광대하게 이용되었습니다. © 표 J. Biggs 2010년.

Emmett의 틈새 숨구멍 모형의 인기에도 불구하고, 그것은 또한 중요한 역할을 많은 경우에 할 수 있는 탄소의 많은 세부사항을 생략합니다. 예를 들면, 실험에 의해 건의된 틈새 숨구멍 모형의 그것과 얇은 벽을 가진 숨구멍에 있는 흡착은 다릅니다.16 모형은 또한 표면의 중요한 근원일 수 있는, 유한 숨구멍 길이를 도 아니다11 유포에서 중요하기 위하여 알려지는 숨구멍 시스템 지세학을 시인하지 않습니다.17 마지막으로, 그것은 수소 저장, 극지와 이오니아 액체의 흡착에 중앙 인, 현실적10 방법 및 촉매 작용에 있는 그리고 그밖 현상18 및 기술19 의 사이에 heteroatoms의 포함을 허용하지 않습니다.

개발하는 1990 년대에 있는 틈새 숨구멍 모형에 의하여 격려된 Biggs의20,21 결손은 틈새 숨구멍 모형에서 없던 ( (VPC)적어도 몇몇을의 것 품질로 붙잡는 사실상 다공성 탄소이라고 불린 nanoporous 탄소 모형을, 숫자 2)를 봅니다. 최근 초대하는 검토가 표시하는 때, 23 이 접근은 잘 탄소에 있는 흡착 그리고 유포의 기본을 이해하기 위하여 광대하게 이용되고, 탄소에 있는 유포를 위한 향상된 흡착 기지를 둔 특성 방법 그리고, 모형을 최근에 평가하고 개발합니다.24

Biggs의 사실상 다공성 탄소에 대량 수송 (바닥)의 흡착 (상단)와 비평형 분자동역학 시뮬레이션의 몬테카를로 시뮬레이션에서 숫자 (VPC) 2. 스냅. 최고 심상에서는, 탄소 원자 및 유동성 분자는 회색과 파란에서 각각 보입니다. 밑바닥 심상에서는, (에서 오른쪽에서 왼쪽으로 작동하는) 압력 기온변화도의 밑에 VPC를 통해 액체에 의해 취한 통로는 (진한 파란색 저속에 높이 빨간) 유동성 계속 각측정속도 필드를 파란 봉투에 의해 보입니다, 제시하기 위하여 장소에서 커트 열려있는. © 표 J. Biggs 2010년.

그밖 VPC 모형은 반전 몬테카를로를 이용하는 모형의 종류를 포함하여 최근 년에서, 소위 반대 방법, 엑스레이 회절에서 장악된 탄소 탄소 광선 분포 함수와 같은 표적 탄소의 현미경 구조물의 직접 측정과 일치하기 위하여 모형을 강제하는 것처럼 보였습니다.25-31 이 어드밴스에도 불구하고, 오늘의 가장 정교한 VPC 모형 조차 수시로 1-2 nm 저쪽에 heteroatoms 그리고 구조상 명령의 적당한 처리를 포함하여 탄소의 성과에 중앙 인 많은 세부사항을 놓치고 있습니다. 모든 반대 방법에 참석하는 유일성 문제와 더불어 이 문제점은 VPCs가 디자인 문맥에서 사용될 수 있기 전에 아델라이데의 대학교수Biggs 실험실에서 현재 진행중입니다 - 이 일이라고 해결되어야 합니다.


참고

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교수 표 J. Biggs (아델라이데의 대학), 저작권 AZoNano.com

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

Last Update: 14. June 2013 01:34

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