De Koolstof van Nanoporous voor de Grote Uitdagingen Van Vandaag: Sommige Kansen en Barrières

door Prof. Mark Biggs

Professor Mark J. Biggs, Hoofd van School, School van Chemische Techniek; Het Onderzoeksteam van de Directeur, Bio & van de Faculteit Nanoengineering, De Universiteit van Adelaide, Australië
Overeenkomstige auteur: mark.biggs@adelaide.edu.au

De Diverse leren-lichamen1,2 en zelfs Laureaten van Nobel hebben3 in de loop van de afgelopen recente jaren een waaier van Grote Uitdagingen geïdentificeerd die het Mensdom in de komende decennia moet richten om de overleving van onze manier van het leven te verzekeren - aanpakkend de worteloorzaken van klimaatverandering terwijl de vergaderings reusachtige verhogingen van energiebehoefte, die ons effect op het bredere milieu verminderen, die onze natuurlijke rijkdommen exploiteren die efficiënter, adequate levering van veilig drinkwater, en defensie verzekeren tegen terrorisme enkel enkelen van deze zeer belangrijke uitdagingen zijn.

De koolstof van Nanoporous heeft lang een rol op de gebieden verbonden aan deze Grote Uitdagingen gespeeld (b.v. reiniging van drinkwater; vangst van vluchtige organische samenstellingen van de industrie; gasmasker), maar zij vervullen hebben een steeds grotere rol te in de toekomst. Bijvoorbeeld, is de nanoporous koolstof bij de kern van lithium-Ionenbatterijen, die4 moeten worden gebruikt om de waaier van de volgende generatie van hybride voertuigen wezenlijk te verhogen -5 dit is essentieel aan het verminderen van de emissies van CO2 van vervoer, dat6 van een derde al dergelijke emissies rekenschap geeft. 7

Deze batterijen en nanoporous op koolstof-gebaseerde supercapacitors worden ontwikkeld voor energieopslag van intermitterende vernieuwbare bronnen zoals wind ook8 - dergelijke energieopslag is essentieel aan grote schaalgebruik van vernieuwbare energie.6 De koolstof van Nanoporous is ook een ernstig alternatief voor het scheiden van CO2 van uitlaatgasstromen, 9 dat deel van de zogenaamde „koolstof vangt en sekwestratie“ strategie uitmaakt die velen in een inspanning uitvoeren om het toekomstige gebruik van steenkool als brandstof te verzekeren.6 Tot Slot kan de doordrongen nanoporous koolstof efficiënte waterstofopslagmiddelen zijn10 - het huidige ontbreken van zulk technologie is een belangrijke barrière aan de totstandbrenging van de „waterstofeconomie“.6

Zo wat is dit magische materieel wij vraag „nanoporous koolstof“? Sommigen kunnen de oudere maniertermijnen van „geactiveerde koolstof“ of „microporous koolstof“ erkennen - de nanoporous koolstof omvat deze niet kristallijne koolstofhoudende materialen evenals nieuwere vormen van poreuze koolstof zoals koolstof nanotubes en templated koolstof. De koolstof van Nanoporous is hoogst poreuze koolstof-overheerste materialen die bijna altijd kleine hoeveelheden heteroatoms zoals zuurstof, waterstof, en, afhankelijk van hun oorsprong, stikstof, zwavel en zelfs „zwaar metaal“ atomen bevatten.

De porie „breedten“ in deze materialen strekt zich typisch door van een minder dan nanometre aan 10s van nanometres uit en nog groter. De grootte en de meetkunde van de poriën met de aard van de stevige de middelen nanoporous koolstof van het koolstofskelet hebben worden gecombineerd grote oppervlakten11 - typisch 1 tot 15 tennisbanenwaarde per gram materiaal - in vergelijking met veel andere poreuze materialen dat. De poriegrootte en de grote oppervlakten, het gemak waarmee zij allebei kunnen worden gewijzigd, en de relatieve traagheid van nanoporous koolstof zijn enkel enkelen van de redenen waarom het zulk een populaire materiaal is.

Ondanks hun lange geschiedenis van exploitatie, kunnen velen worden verrast om te leren dat de experimentele vallen en opstaan nog de ontwikkeling van vele nanoporous koolstof, vooral de minder kristallijne vormen, op zijn minst vanuit een moleculair perspectief overheersen. Het beperkte gebruik van moleculaire modellering in het ontwerp van minder kristallijne vormen van nanoporous koolstof kan met zijn gebruik voor zeoliet en12 andere kristallijne materialen zoals metal-organic kader worden tegenover elkaar gesteld13 waar een identificeerbare eenheidscel zeer modellering vergemakkelijkt.

Voor vele nanoporous koolstof, zogenaamde „spleet-porie“ het model (zie Figuur 1) - dat data terug naar minstens Emmett in de jaren '4014 - is gebruikt als cel van de volmachtseenheid. Het nut van dit model is meer over het algemeen bewezen vaak. Bijvoorbeeld, blijft het veel van de experimentele vandaag gebruikte methodes van de koolstofkarakterisering ondersteunen. Het werd ook gebruikt in de vroege jaren '90 samen met moleculaire simulatie van methaanadsorptie om de optimale poriegrootte en de voorwaarden voor geadsorbeerde aardgasopslag te identificeren.15

Cijfer. 1. Het spleet-porie model van Emmett14: een poriebreedte h wordt bepaald door de basisoppervlakten van twee tegengestelde semi-infinite blokken van grafiet. Als overzicht van Bandosz et al.22 wijst op, is dit model gebruikt uitgebreid met moleculaire simulatie aan studieadsorptie, verspreiding en reactie in nanoporous koolstof. © Mark J. Biggs 2010.

Ondanks de populariteit van het spleet-porie model van Emmett, laat het ook vele details van koolstof weg die belangrijke rollen in vele omstandigheden kunnen spelen. Bijvoorbeeld, verschilt de adsorptie in poriën met de dunne die muren door experiment worden voorgesteld van dat van het model van de spleetporie.16 Het model ook laat eindige porielengten, die een significante bron van oppervlakte kunnen zijn, 11 noch de topologie van het poriesysteem niet die toe belangrijk gekend om in verspreiding is te zijn.17 Tot Slot laat het geen opneming van heteroatoms in een realistische manier toe, die aan waterstofopslag, adsorptie van10 polaire en Ionische vloeistoffen, en katalyse18 en onder andere19 fenomenen en technologieën van centraal belang zijn.

De tekortkomingen van het spleet-porie model moedigden Biggs in de jaren '90 aan20,21 om een model van nanoporous koolstof te ontwikkelen, genoemd Virtuele Poreuze Koolstof (VPC), die minstens kwalitatief enkele dingen vangt die van het model van de spleetporie (zie Figuur 2) misten. Zoals de recente uitgenodigde overzichten wijzen op, 23 is deze benadering gebruikt uitgebreid om de grondbeginselen van adsorptie en verspreiding in koolstof beter te begrijpen, en betere op adsorptie-gebaseerde karakteriseringsmethodes en, onlangs, modellen voor verspreiding in koolstof te beoordelen en te ontwikkelen.24

Figuur 2. De Momentopname van een simulatie van Monte Carlo van adsorptie (bovenkant) en simulatie van de onevenwichts de moleculaire dynamica van massa vervoeren (bodem) op een Virtuele Poreuze Koolstof (VPC) van Biggs. In het hoogste beeld, worden de koolstofatomen en de vloeibare molecules getoond in grijs en respectievelijk blauw. In het bodembeeld, worden de wegen door de vloeistof door VPC onder een drukgradiënt die worden genomen (van het recht op linkerzijde handelen) getoond door de blauwe envelop, die in plaatsen besnoeiing-open is geweest om het vloeibare snelheidsgebied (hoogste rood aan donkerblauwe laagste snelheid die) te openbaren. © Mark J. Biggs 2010.

Andere modellen van VPC zijn in recentere jaren, met inbegrip van een klasse van modellen verschenen die het gebruik Omgekeerd Monte Carlo, een zogenaamde omgekeerde methode, verkreeg om de modellen te dwingen om directe maatregelen van de microscopische structuur van de doelkoolstof zoals de koolstof-koolstof radiale distributiefunctie aan te passen uit de diffractie van de Röntgenstraal.25-31 Ondanks deze vooruitgang, zelfs missen de meest verfijnde modellen van VPC van vandaag vele details die aan de prestaties van koolstof met inbegrip van adequate behandeling van heteroatoms en structurele orde voorbij 1-2 NM vaak van centraal belang zijn. Deze kwesties samen met het uniciteitsprobleem dat alle omgekeerde methodes bijwoont moeten worden behandeld alvorens VPCs in de ontwerpcontext kan worden gebruikt - dit werk is momenteel aan de gang in het laboratorium van Professor Biggs bij de Universiteit van Adelaide.


Verwijzingen

1. G.S. Omenn, „Grote Uitdagingen en grote kansen in wetenschap, technologie, en openbaar beleid“, Wetenschap 314, 1696-1704, 2006.
2. G. Ellis, Grote uitdagingen voor techniek, Chem. Eng. Prog. 104(4): 11-13, 2008.
3. R.E. Smalley, de Grote Uitdagingen van het Instituut Smalley, 2003. In betreden cnst.rice.edu/content.aspx?id=246 (25 Januari 2010).
4. M. Endo, C. Kim, K. Nishimura, T. Fujino en K. Miyashita, Recente ontwikkeling van koolstofmaterialen voor de ionenbatterijen van Li, Koolstof 38, 183-197, 2000.
5. J. Voelcker, de Batterijen van het Lithium voor Hybride Auto's, 2007. In betreden spectrum.ieee.org/green-tech/advanced-cars/lithium-batteries-for-hybrid-cars (25 Januari 2010).
6. Nieuwe Wetenschap voor een Veilige & Duurzame Toekomst van de Energie. Het Ministerie van de V.S. van Energie, 2008. In sc.doe.gov/bes/reports.
7. De Vooruitzichten van de Energie van de Wereld 2008. Het Internationale Agentschap van de Energie: Parijs, 2008.
8. J.R. Molenaar en P. Simon, Elektrochemische condensatoren voor energiebeheer, Wetenschap 321, 651-652, 2008.
9. M.G. het Plein, C. Pevida, B. Arias, J. Fermoso, M.D. Casal, C.F. Martín, F. Rubiera en J.J. Pis, Ontwikkeling van goedkope op biomassa-gebaseerde adsorbentia voor naverbrandingsCO2 vangen, Brandstof 88, 2442-2447, 2009.
10. L. Wang en R.T. Yang, de opslageigenschappen van de Waterstof van n-Gesmeerde microporous koolstof, J. Phys. Chem. C 113, 21883-21888, 2009.
11. K. Kaneko, C. Ishii, M. Ruike en H. Kuwabara, Oorsprong van superhigh oppervlakte en microcrystalline grafietstructuren van geactiveerde koolstof, Koolstof 30, 1075-1088, 1992.
12. J.M. Thomas en R. Raja, die katalysators voor schone technologie, groene chemie, en duurzame ontwikkeling, Annu Ontwerpen. Toer Mater. Onderzoek. 35, 315-350, 2005.
13. T. Düren, Y.S. Bae en R.Q. Snurr, Gebruikend moleculaire simulatie om metal-organic kader voor adsorptietoepassingen, Soc. Toer 38, 1237-1247, 2009 te kenmerken van Chem.
14. P.H. van Emmett, van de Adsorptie en porie-grootte metingen op houtskool en whetlerites, Toer 43, 69-148, 1948 van Chem.
15. M.J. Bojan, R. Van Slooten en W. Steele, computer-Simulatie studies van de opslag van methaan in microporous koolstof, Sep. Sc.i. Technologie. 27, 1837-1856, 1992.
16. S.K. Bhatia, analyse van de Theorie van de Dichtheid de Functionele van de invloed van de ongelijksoortigheid van de poriemuur op adsorptie in koolstof, Langmuir 18, 6845-6856, 2002.
17. N.A. Seaton, S.P. Friedman, J.M.D. MacElroy en B.J. Murphy, Moleculair die mechanisme in koolstof moleculaire zeven zeven: Een moleculaire dynamica en een kritieke weganalyse, Langmuir 13, 1199-1204, 1997.
18. M. Jorge, C. Schumacher en N.A. Seaton, de studie van de Simulatie van het effect van de chemische ongelijksoortigheid van geactiveerde koolstof op wateradsorptie, Langmuir 18, 9296-9306, 2002.
19. F. Rodriguez-Reinoso, de rol van koolstofmaterialen in heterogeene katalyse, Koolstof 36, 159-175, 1998.
20. M. Biggs en P. Agarwal, de verspreiding van de Massa van atoomvloeistoffen in willekeurige micropore ruimten die evenwichts moleculair-dynamica, Phys gebruiken. Toer. 46, 3312-3318, 1992.
21. M. Biggs en P. Agarwal, de verspreiding van de Massa van met twee atomen vloeistoffen in willekeurige micropore ruimten die evenwichts moleculair-dynamica, Phys gebruiken. Toer Euro 49, 531-537, 1994.
22. T.J. Bandosz, M.J Biggs, K.E. Gubbins, Y. Hattori, T. Iiyama, K. Kaneko, J. Pikunic en K. Thomson, Moleculaire modellen van poreuze koolstof, Chem. Phys. Koolstof 28, 41-228, 2003.
23. M.J. Biggs en A. Buts, Virtuele Poreuze Koolstof: Wat zij zijn en wat zij kunnen worden gebruikt voor, Mol. Sim. 32, 579-593, 2006.
24. Q. Cai, A. Buts, N.A. Seaton en M.J. Biggs, het model van het de porienetwerk van A voor verspreiding in nanoporous koolstof: Bevestiging door moleculaire dynamicasimulatie, Chem. Engng. Sc.i. 63, 3319-3327, 2008.
25. V. Petkov, R.G. DiFrancesco, S.J.L. Billinge, M. Acharya en H.C. Foley, Lokale structuur van nanoporous koolstof, Phil. Mag. B79, 1519-1530, 1999.
26. K.T. Thomson en K.E. Gubbins, de structurele morfologie van de Modellering van microporous koolstof door Omgekeerd Monte Carlo, Langmuir 16, 5761-5773, 2000.
27. J. Pikunic; C. Clinard; N. Cohaut; K.E. Gubbins, J.M. Guet, R.J.M. Pellenq, I. Rannou en J.N. Rouzaud, Structurele modellering van poreuze koolstof: de beperkte Omgekeerde Methode van Monte Carlo, Langmuir 19, 8563-8582, 2003.
28. P. Zetterström, S. Urbonaite, F. Lindberg, R.G. Delaplane, J. Leis en G. Svensson, de Omgekeerde studies van Monte Carlo van nanoporous koolstof van Tic, Phys.: Condens. Kwestie 17, 3509-3524, 2005.
29. S.K. Jain, K.E Gubbins, R.J.M Pellenq en J.P. Pikunic, Moleculaire modellering en adsorptieeigenschappen van poreuze koolstof, Koolstof 44, 2445-2451, 2006.
30. T.X. Nguyen, N. Cohaut, J.S. Bae en S.K. Bhatia, Nieuwe methode voor atomistic modellering van de microstructuur van geactiveerde koolstof die de hybride Omgekeerde simulatie Langmuir 24, 7912-7922, 2008 gebruiken van Monte Carlo.
31. S. Furmaniak, A.P. Terzyk, P.A. Gauden, P.J.F. Harris PJF en P. Kowalczyk, Kan de koolstof oxydatie die de de distributiekromme van de poriegrootte vanaf de adsorptieisothermen van AR, van N en van CO2 verplaatsen opduiken2 wordt berekend? De Simulatie vloeit voor een realistisch koolstofmodel voort, J. Phys.: Condens. Kwestie 21, 315005, 2009.

Copyright AZoNano.com, Professor Mark J. Biggs (de Universiteit van Adelaide)

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

Last Update: 14. June 2013 01:16

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this article?

Leave your feedback
Submit