Углероды Nanoporous для Сегодняшних Грандиозных Возможностей: Некоторые Возможности и Барьеры

Prof. Маркировать Biggs

Профессор Марк J. Biggs, Головка Школы, Школы Химического Машиностроения; Исследовательская Группа Директора, Био & Nanoengineering Факультета, Университет Аделаиды, Австралии
Соответствуя автор: mark.biggs@adelaide.edu.au

Различные учить-тела1,2 и даже Нобелевские Лауреаты3 имеют над прошлыми недавними летами определили ряд Грандиозных Возможностей которые Гуманность должна адресовать в приходя декадах для того чтобы обеспечить выживание нашего образа жизни - решать первопричины изменения климата пока встречающ огромные увеличения в спросе на энергию, уменьшая наш удар на более широкой окружающей среде, эксплуатирующ наши природные ресурсы более эффективно, обеспечивающ адекватние поставкы безопасной питьевой воды, и оборона против террорисма как раз несколько из этих ключевые возможности.

Углероды Nanoporous длиной играли роль в областях связанных с этими Грандиозными Возможностями (например очищением питьевой воды; захват испаряющих органических смесей от индустрии; маски противогаза), но они имеют всегда более большую роль, котор нужно сыграть в будущее. Например, nanoporous углероды на сердечнике батарей Лити-Иона, которые4 быть использованным существенно увеличить ряд следующего поколени гибридных кораблей -5 это необходимо к уменьшению излучений CO2 от перехода, который6 определяет треть всех таких излучений. 7

Эти батареи и nanoporous углерод-основанные supercapacitors начинаются для накопления энергии от прерывистых источников способных к возрождению как ветер слишком8 - такое накопление энергии необходимо к пользе большого диапазона возобновляющей энергии.6 Углероды Nanoporous также серьезная алтернатива для отделять CO2 от потоков выхлопного газа, 9 который часть так называемой «стратегии захвата и секвестрации углерода» которую много следуют в усилии обеспечить будущую пользу угля как топливо.6 Окончательно, пропитанные nanoporous углероды могут быть эффективными носителями записи водопода10 - настоящее отсутствие любой технологии главный барьер к осуществлению «экономии водопода».6

Так что этот волшебный материал мы вызываем «nanoporous углерод»? Некоторые могут узнать более старые термины способа «активированного угля» или «microporous углерода» - nanoporous углерод включает эти некристаллические углистые материалы так же, как более романные формы пористого углерода как nanotubes углерода и templated углероды. Углероды Nanoporous сильно пористые углерод-преобладанные материалы которые почти всегда содержат малые количества heteroatoms как кислород, водопод, и, в зависимости от их начала, азота, серы и даже атомов «тяжелого метала».

Пора «ширины» в этих материалах типично колебается от чем нанометры до конца к 10s nanometres и даже большой. Размер и геометрия пор совмещенных с природой углеродов твердых середин углерода каркасных nanoporous имеют большие поверхностные области11 - стоимость типично 1 до 15 теннисных кортов в грамм материала - сравненные к много других пористых материалов. Размеры поры и большие поверхностные области, легкость с которыми их можно и доработать, и относительная инерционность nanoporous углерода как раз несколько из причин почему такой популярный материал.

Несмотря На их длинную историю эксплуатирования, много могут быть удивлены выучить что экспириментально проб-и-ошибка все еще преобладает развитие много nanoporous углеродов, специально меньше кристаллических форм, хотя бы от молекулярной перспективы. Лимитированную пользу молекулярного моделирования в конструкции меньше кристаллических форм nanoporous углерода можно сравнить с своей пользой для цеолитов12 и других кристаллических материалов как металл-органические рамки13 где опознаваемая клетка блока значительно облегчает моделировать.

Для много nanoporous углеродов, так называемая модель «разрез-поры» (см. Диаграмма 1) - которая датирует назад к хотя бы Emmett в 1940s14 - было использовано как клетка блока полномочия. Общее назначение этой модели более вообще было доказано много времен. Например, оно продолжается underpin много из экспириментально методов характеризации углерода используемых сегодня. Оно также было использован в начале 1990-ых годов совместно с молекулярной имитацией адсорбции метана для того чтобы определить оптимальные размер и условия поры для адсорбированного хранения природного газа.15

Диаграмма. 1. Модель разрез-поры Emmett14: ширина h поры определена базальными поверхностями 2 сопротивлялась semi-инфинитные блоки графита. По Мере Того Как просмотрение Bandosz et al.22 показывает, эта модель была использована обширно с молекулярной имитацией для того чтобы изучить адсорбцию, диффузию и реакцию в nanoporous углеродах. © Марк J. Biggs 2010.

Несмотря На славолюбие модели разрез-поры Emmett, оно также снимает много деталей углеродов которые могут сыграть важные роли в много обстоятельств. Например, адсорбция в порах при тонкие стены предложенные экспериментом отличает от той из модели поры разреза.16 Модель также не впускает небесконечные длины поры, которые могут быть значительно источником поверхностной области, 11 ни топологию системы поры которая знаны, что будет важна в диффузии.17 Окончательно, она не позволяет включение heteroatoms в реалистическом образе, которые центральны к хранению водопода, 10 адсорбции приполюсных и ионных жидкостей, 18 и катализировании19 и среди других явлений и технологий.

Недостатки разрез-поры Biggs ободренного моделью в 1990s20,21 для того чтобы начать термин модель nanoporous углеродов, Фактически Пористым Углеродом (VPC), которого захватывает хотя бы качественно некоторые из вещей которые были пропавши от модели поры разреза (см. Диаграмму 2). По Мере Того Как недавние приглашенные просмотрения показывают, 23 этот подход был использован обширно более лучше для того чтобы понять принципы адсорбции и диффузии в углеродах, и определяет и начинает улучшенные адсорбци-основанные методы и, наиболее недавно, модели характеризации для диффузии в углеродах.24

Диаграмма 2. Снимок от имитации Монте-Карло имитации молекулярной динамики адсорбцией (верхней частью) и неравновесностью массового перехода (дна) на Фактически Пористом Углероде Biggs. В верхнем изображении, атомы углерода и жидкие молекулы показаны в сером и голубом соответственно. В нижнем изображении, тропа принятые жидкостью через VPC под градиентом давления (действуя от права к левой стороне) показаны голубым габаритом, который отрезк-открыт в местах для того чтобы показать жидкое поле скорости (красное наиболее высоко к синее самому низкоскоростному). © Марк J. Biggs 2010.

Казалось, что в более недавние леты, включая тип моделей которые используют Обратный Монте-Карло, так называемый обратный метод, принуждают Другие модели VPC модели для того чтобы соответствовать сразу измерениям микроскопической структуры углерода цели как функция распределения углерод-углерода радиальная полученная от огибания Рентгеновского Снимка.25-31 Несмотря На эти выдвижения, даже самые изощренные модели VPC сегодня скучают по много деталей которые часто центральны к представлению углеродов включая адекватнюю обработку heteroatoms и структурного заказа за 1-2 nm. Эти вопросы вместе с проблемой уникальности которая присутствует на всех обратных методах необходимо адресовать прежде чем VPCs можно использовать в контексте конструкции - этой работе в настоящее время в процессе в лаборатории Профессора Biggs на Университете Аделаиды.


Справки

1. G.S. Omenn, «Грандиозные Возможности и колоссальные возможности в науке, технологии, и общественной политике», Наука 314, 1696-1704, 2006.
2. G. Ellis, Грандиозные возможности для проектировать, Chem. ENG Prog. 104(4): 11-13, 2008.
3. R.E. Smalley, Возможности Института Smalley Грандиозные, 2003. На cnst.rice.edu/content.aspx?id=246 (достиганном 25-ое января 2010).
4. M. Endo, C. Ким, K. Nishimura, T. Fujino и K. Miyashita, Новейшая разработка материалов углерода для батарей иона Li, Углерод 38, 183-197, 2000.
5. J. Voelcker, Батареи Лития для Гибридных Автомобилей, 2007. На spectrum.ieee.org/green-tech/advanced-cars/lithium-batteries-for-hybrid-cars (достиганном 25-ое января 2010).
6. Новая Наука на Безопасное & Устойчивое Будущее Энергии. Министерство Энергетики США, 2008. На sc.doe.gov/bes/reports.
7. Внешний Вид Мировой Энергетики 2008. Международное Энергетическое Агентство: Париж, 2008.
8. J.R. Miller и P. Simon, Электрохимические конденсаторы для управления энергии, Науки 321, 651-652, 2008.
9. M.G. Площадь, C. Pevida, B. Ария, J. Fermoso, M.D. Casal, C.F. Martín, F. Rubiera и J.J. Pis, Развитие недорогих биомасс-основанных адсорбентов для захвата CO2 postcombustion, Топлива 88, 2442-2447, 2009.
10. L. Wang и R.T. Yang, свойства хранения Водопода N-Данного допинг microporous углерода, J. Phys. Chem. C 113, 21883-21888, 2009.
11. K. Kaneko, C. Ishii, M. Ruike и H. Kuwabara, Начало superhigh поверхностной зоны и микрокристаллических графитообразных структур активированных углей, Углерода 30, 1075-1088, 1992.
12. J.M. Томас и R. Раджа, Конструируя катализаторы для чистой технологии, зеленой химии, и устойчивого и сбалансированного развития, Annu. Rev. Mater. Res. 35, 315-350, 2005.
13. T. Düren, Y.S. Bae и R.Q. Snurr, Используя молекулярную имитацию для того чтобы характеризовать металл-органические рамки для применений адсорбцией, Chem. SOC. Rev. 38, 1237-1247, 2009.
14. Измерения P.H. Emmett, Адсорбции и пор-размера на углях и whetlerites, Chem. Rev. 43, 69-148, 1948.
15. M.J. Bojan, R. Van Slooten и W. Steele, изучения Компьютер-Имитации хранения метана в microporous углеродах, Сентября. Sci. Техник. 27, 1837-1856, 1992.
16. S.K. Bhatia, анализ Функциональной Теории Плотности влияния разнородности стены поры на адсорбции в углеродах, Langmuir 18, 6845-6856, 2002.
17. N.A. Seaton, S.P. Фридман, J.M.D. MacElroy и B.J. Murphy, Механизм молекулярный фильтровать в сетках углерода молекулярных: Молекулярная динамика и анализ методом критического пути, Langmuir 13, 1199-1204, 1997.
18. M. Джордж, C. Schumacher и N.A. Seaton, изучение Имитации влияния химической разнородности активированного угля на адсорбции воды, Langmuir 18, 9296-9306, 2002.
19. F. Rodríguez-Reinoso, Роль материалов углерода в гетерогенном катализе, Углерода 36, 159-175, 1998.
20. M. Biggs и P. Agarwal, Массовая диффузия атомных жидкостей в случайных космосах микропоры используя молекулярн-динамику уравновешения, Phys. Rev. 46, 3312-3318, 1992.
21. M. Biggs и P. Agarwal, Массовая диффузия двухатомных жидкостей в случайных космосах микропоры используя молекулярн-динамику уравновешения, 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 и K. Томсон, Молекулярные модели пористых углеродов, Chem. Phys. Углерод 28, 41-228, 2003.
23. M.J. Biggs и A. Buts, Фактически Пористые Углероды: Что они и что их можно использовать для, Mol. Sim. 32, 579-593, 2006.
24. Q. Cai, A. Buts, N.A. Seaton и M.J. Biggs, сетевая модель поры A для диффузии в nanoporous углеродах: Утверждение имитацией молекулярной динамики, Chem. Engng. Sci. 63, 3319-3327, 2008.
25. V. Petkov, R.G. DiFrancesco, S.J.L. Billinge, M. Acharya и H.C. Foley, Местная структура nanoporous углеродов, Phil. MAG. B79, 1519-1530, 1999.
26. K.T. Томсон и K.E. Gubbins, Моделируя структурное словотолкование microporous углеродов Обратным Монте-Карло, Langmuir 16, 5761-5773, 2000.
27. J. Pikunic; C. Clinard; N. Cohaut; K.E. Gubbins, J.M. Guet, R.J.M. Pellenq, I. Rannou и J.N. Rouzaud, Структурное моделирование пористых углеродов: ограниченный Обратный Метод Монте-Карло, Langmuir 19, 8563-8582, 2003.
28. P. Zetterström, S. Urbonaite, F. Линдберг, R.G. Delaplane, J. Leis и G. Svensson, Обратные изучения Монте-Карло nanoporous углерода от TiC, Phys.: Condens. Дело 17, 3509-3524, 2005.
29. S.K. Jain, K.E Gubbins, R.J.M Pellenq и J.P. Pikunic, Молекулярно моделирования и свойства адсорбцией пористых углеродов, Углерода 44, 2445-2451, 2006.
30. T.X. Nguyen, N. Cohaut, J.S. Bae и S.K. Bhatia, Новый метод для атомистического моделирования микроструктуры активированных углей используя гибридную Обратную имитацию Langmuir 24 Монте-Карло, 7912-7922, 2008.
31. S. Furmaniak, A.P. Terzyk, P.A. Gauden, P.J.F. Херрис PJF и P. Kowalczyk, Может поверхностное окисление углерода перенести кривый распределения по размеру поры высчитанную от Ar, N и2 изотерм адсорбцией2 CO? Имитация приводит к для реалистической модели углерода, J. Phys.: Condens. Дело 21, 315005, 2009.

Авторское Право AZoNano.com, Профессор Марк J. Biggs (Университет Аделаиды)

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

Last Update: 14. June 2013 01:51

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