Carbonos de Nanoporous para Desafios Grandes De Hoje: Algumas Oportunidades e Barreiras

pelo Prof. Marcação Biggs

Professor Mark J. Biggs, Cabeça da Escola, Escola da Engenharia Química; O Bio & do Nanoengineering da Faculdade Grupo de Investigação do Director, A Universidade de Adelaide, Austrália
Autor Correspondente: mark.biggs@adelaide.edu.au

Os Vários instruído-corpos1,2 e mesmo Prémios Nobel3 têm sobre os anos recentes passados identificaram uma escala dos Desafios Grandes que a Humanidade deve endereçar nas décadas de vinda a fim assegurar a sobrevivência de nosso modo de vida - abordar as causas origem das alterações climáticas enquanto encontrando aumentos enormes na procura de energia, reduzindo nosso impacto no ambiente mais largo, explorando nossos recursos naturais mais eficientemente, assegurando fontes adequadas da água potável segura, e a defesa contra o terrorismo é apenas alguma destes os desafios chaves.

Os carbonos de Nanoporous têm jogado por muito tempo um papel nas áreas associadas com estes Desafios Grandes (por exemplo purificação da água potável; captação de compostos orgânicos temporários da indústria; as máscaras de gás), mas têm um papel sempre maior a jogar no futuro. Por exemplo, os carbonos nanoporous estão no núcleo das baterias do Lítio-Íon, que4 devem ser usada para aumentar substancialmente a escala da próxima geração de veículos híbridos -5 esta é essencial a reduzir emissões do CO2 do transporte, que6 esclarece um terço de todas tais emissões. 7

Estes baterias e supercapacitors carbono-baseados nanoporous estão sendo desenvolvidos para o armazenamento de energia das fontes renováveis intermitentes tais como o vento demasiado8 - tal armazenamento de energia é essencial ao uso da grande escala da energia renovável.6 Os carbonos de Nanoporous são igualmente uma alternativa séria para separar o CO2 dos córregos do gás de exaustão, 9 que é parte do “da estratégia assim chamada da captação e do seqüestro carbono” que muitos estão levando a cabo em um esforço para assegurar o uso futuro do carvão como um combustível.6 Finalmente, os carbonos nanoporous impregnados podem ser suportes de memória eficazes do hidrogênio10 - a ausência actual de uma tecnologia é uma barreira principal à realização do “da economia hidrogênio”.6

Assim que é este material que mágico nós chamamos “o carbono nanoporous”? Alguns podem reconhecer os termos mais velhos da forma “do carbono ativado” ou “do carbono microporous” - o carbono nanoporous abrange estes materiais carbonados não cristalinos assim como formulários mais novos do carbono poroso tais como nanotubes do carbono e carbonos templated. Os carbonos de Nanoporous são os materiais carbono-dominados altamente porosos que contêm quase sempre quantidades pequenas de heteroatoms tais como o oxigênio, hidrogênio, e, segundo seus origem, nitrogênio, enxofre e mesmo átomos do “metal pesado”.

O poro “larguras” nestes materiais varia tipicamente de menos do que nanômetros completamente a 10s dos nanometres e mesmo maior. O tamanho e a geometria dos poros combinados com a natureza dos carbonos nanoporous dos meios de esqueleto contínuos do carbono têm as grandes áreas de superfície11 - um valor de tipicamente 1 a 15 campos de ténis pelo relvado do material - comparadas a muitos outros materiais porosos. Os tamanhos do poro e as grandes áreas de superfície, a facilidade com que podem ser alterados, e o inertness relativo do carbono nanoporous são apenas algumas das razões pelas quais é um material tão popular.

Apesar de sua longa história da exploração, muitos podem ser surpreendidos aprender que a tentativa e erro experimental ainda domina a revelação de muitos carbonos nanoporous, especialmente os formulários menos cristalinos, pelo menos de uma perspectiva molecular. O uso limitado da modelagem molecular no projecto de formulários menos cristalinos do carbono nanoporous pode ser contrastado com seu uso para zeolites12 e outros materiais cristalinos tais como as estruturas metal-orgânicas13 onde uma pilha de unidade identificável facilita extremamente modelar.

Para muitos carbonos nanoporous, o modelo assim chamado do “régua-poro” (veja Figura 1) - que data pelo menos de Emmett nos anos 4014 - foi usado como uma pilha de unidade do proxy. O serviço público deste modelo foi provado mais geralmente muitas vezes. Por exemplo, continua a sustentar muitos dos métodos experimentais da caracterização do carbono usados hoje. Foi usado igualmente no começo dos 90 conjuntamente com a simulação molecular da adsorção do metano para identificar o tamanho e as condições óptimos do poro para o armazenamento de gás natural fixado.15

Figura. 1. O modelo do régua-poro de Emmett14: uma largura h do poro é definida pelas superfícies básicas de dois ops blocos semi-infinitos de grafite. Enquanto a revisão de Bandosz indica22 e outros, este modelo estêve usado extensivamente com simulação molecular para estudar a adsorção, a difusão e a reacção em carbonos nanoporous. © Mark J. Biggs 2010.

Apesar da popularidade do modelo do régua-poro de Emmett, igualmente omite muitos detalhes de carbonos que podem jogar papéis importantes em muitas circunstâncias. Por exemplo, a adsorção nos poros com as paredes finas sugeridas pela experiência difere daquela do modelo do poro da régua.16 O modelo igualmente não admite os comprimentos finitos do poro, que podem ser uma fonte significativa da área de superfície, 11 nem a topologia do sistema do poro que é sabida para ser importante na difusão.17 Finalmente, não permite a inclusão dos heteroatoms em uma maneira realística, que são centrais ao armazenamento do hidrogênio, 10 adsorção de líquidos polares e iónicos, 18 e na catálise19 e entre outros fenômenos e tecnologias.

Os defeitos do modelo do régua-poro incentivaram Biggs nos anos 9020,21 desenvolver um modelo de carbonos nanoporous, denominado o Carbono Poroso Virtual (VPC), que captura pelo menos qualitativa algumas das coisas que faltavam do modelo do poro da régua (veja Figura 2). Enquanto as revisões convidadas recentes indicam, 23 esta aproximação estêve usada extensivamente para compreender melhor os fundamentos da adsorção e da difusão nos carbonos, e avalia e desenvolve métodos e, recentemente, modelos adsorção-baseados melhorados da caracterização para a difusão nos carbonos.24

Figura 2. Instantâneo de uma simulação de Monte - de Carlo da simulação da dinâmica molecular da adsorção (parte superior) e do desequilíbrio do transporte em massa (parte inferior) em um Carbono Poroso Virtual (VPC) de Biggs. Na imagem superior, os átomos de carbono e as moléculas fluidas são mostrados em cinzento e em azul respectivamente. Na imagem inferior, os caminhos tomados pelo líquido com VPC sob um inclinação de pressão (que actua do direita para a esquerda) são mostrados pelo envelope azul, que estêve corte-aberto nos lugares revelar o campo fluido da velocidade (vermelho o mais altamente à obscuridade - mais baixa velocidade azul). © Mark J. Biggs 2010.

Outros modelos de VPC apareceram em uns anos mais recentes, incluindo uma classe de modelos que usam Monte - Carlo Reversos, um método inverso assim chamado, para forçar os modelos para combinar medidas directas da estrutura microscópica do carbono do alvo tal como a função de distribuição radial do carbono-carbono obtida da difracção de Raio X.25-31 Apesar destes avanços, mesmo os modelos os mais sofisticados de VPC de hoje estão faltando muitos detalhes que são frequentemente centrais ao desempenho dos carbonos que incluem o tratamento adequado dos heteroatoms e do pedido estrutural além de 1-2 nanômetro. Estas edições junto com o problema da unicidade que atende a todos os métodos inversos devem ser endereçadas antes que VPCs possa ser usado no contexto do projecto - este trabalho são actualmente em curso no laboratório do Professor Biggs Na Universidade de Adelaide.


Referências

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Copyright AZoNano.com, Professor Mark J. Biggs (A Universidade de Adelaide)

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

Last Update: 14. June 2013 01:48

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