Nanoporous Kol för Dagens Tusen dollarUtmaningar: Några Tillfällen och Barriärer

vid Prof. Markera Biggs

Professorn Markerar J. Biggs, Huvud av Skolar, Skolar av Kemiskt Iscensätta; Bio & för Nanoengineering FakultetForskning Grupp för Direktör, Universitetar av Adelaide, Australien
Motsvarande författare: mark.biggs@adelaide.edu.au

Olikt lärd-förkroppsligar, 1,2 och även har Nobel3 Laureates över de förgångna nya åren identifierade en spänna av Storslagna Utmaningar som Mänsklighet måste tilltala i de kommande årtiondena för att se till överlevnaden av vår livsföring - att tackla rota orsakar av klimatförändringstunden som möter enorma förhöjningar i energibegäran, får effekt förminskande våra på den mer breda miljön och att exploatera våra naturresurser effektivare och att se till adekvat tillförsel av kassaskåpdricksvatten, och försvar mot terrorism är precis några av dessa nyckel- utmaningar.

Nanoporous kol long har long lekt en roll i områdena som är tillhörande med dessa Storslagna Utmaningar (e.g purification av dricksvatten; tillfångatagande av organiska sammansättningar för flyktigt ämne från bransch; gasmaskar), men de har en någonsin större roll som leker in i framtiden. Till exempel är nanoporous kol på kärna ur av Lithium-Jonen batterier, som4 är att vara van vid väsentligen förhöjning spänna av nästa generation av hybrid- medel -5 detta är nödvändigt till förminskande CO-utsläpp2 från transport, som6 redogör för sådan utsläpp för en third allra. 7

Dessa batterier och nanoporous kol-baserade supercapacitors framkallas för energilagring från intermittent förnybara källor liksom lindar för8 - sådan energilagring är nödvändig till stort fjällbruk av förnybar energi.6 Nanoporous kol är ett allvarligt alternativ för att avskilja CO från2 evakuerar också gasar strömmer, 9 som är delen av denkallade ”koltillfångatagande- och beslagtagande” strategin, som många förföljer i ett försök att se till det framtida bruket av kol som en tanka.6 Slutligen kan genomdränkte nanoporous kol vara effektivt vätelagringsmassmedia10 - strömfrånvaroen av någon sådan teknologi är en ha som huvudämnebarriär till realisationen av ”väteekonomin”.6

Så vad är detta magical materiellt oss appellen ”nanoporous kol”? Några kan känna igen det äldre danar benämner av ”aktiverat kol” eller ”microporous kol” - nanoporous kol encompass dessa non-crystalline carbonaceous material, såväl som mer roman bildar av poröst kol liksom kolnanotubes och templated kol. Nanoporous kol är högt porösa kol-dominerade material som innehåller nästan alltid litet antal av heteroatoms liksom syre, väten, och, beroende av deras beskärning, ett gasformigt grundämne, sulphur och även ”heavy metal” atoms.

Por ”bredder” i dessa material spänner typisk från mindre än nanometre igenom till 10s av nanometres och även större. Storleksanpassa och geometrin av porna som kombineras med naturen av de nanoporous kolen för fast hjälpmedel för kol skelett-, har stort att ytbehandla områden11 - typisk 1 till 15 tennisbanor som är värda per gram av materiellt - som jämförs till många andra porösa material. Por storleksanpassar, och stort ytbehandla områden, lindra som de kan både ändras med, och släktinginertnessen av nanoporous kol är några av resonerar precis därför den är ett sådan populärt materiellt.

Illviljan deras lång historia av exploatering, många kan förvånas för att lära, att den experimentella försök-och-fel stillbilden dominerar utvecklingen av många nanoporous kol, speciellt det mindre crystalline bildar, åtminstone från ett molekylärt perspektiv. Det inskränkt bruket av molekylärt modellera i designen av mindre crystalline bildar av nanoporous kol kan kontrasteras med dess bruk för zeolites12 och andra crystalline material liksom belägga med metall-organiska ramar13 var en identifierbar enhetscell gör lättare väldeliga att modellera.

För många nanoporous kol modellerar har denkallade ”slit-por” (se för att Figurera 1) - som daterar tillbaka till åtminstone Emmett i 40-tal14 - använts som en närståendeenhetscell. Det nytto- av detta modellerar allmänare har bevisats många tider. Till exempel fortsätter den för att styrka många av de experimentella kolkarakteriseringmetoderna som i dag används. Den användes också i tidig sort90-tal i samverkan med molekylär simulering av metangasadsorption för att identifiera den optimala por storleksanpassar och villkorar för adsorberad naturgaslagring.15

Figurera. 1. Slit-por modellerar av Emmett14: ett porbreddH definieras av det grundläggande ytbehandlar av två motsatte halv-oändliga kvarter av grafiten. Som granska av Bandosz indikerar22 o.a., modellerar har denna använts omfattande med molekylär simulering till studieadsorption, diffusion och reaktion i nanoporous kol. © Markerar J. Biggs 2010.

Illviljan som populariteten av slit-por modellerar av Emmett, det utelämnar också, många specificerar av kol som kan leka viktiga roller i många omständigheter. Till exempel skilja sig åt adsorption i por med de tunna väggarna möjlig av experiment från det av slitpor modellerar.16 Modellera medger också inte finite porlängder, som kan vara en viktig källa av ytbehandlar område11 nor porsystemtopologin, som är bekant att vara viktig i diffusion.17 Slutligen gör den inte tillståndmedräknandet av heteroatoms i ett realistiskt sätt, som är centralen till vätelagring, 10 adsorption av polara och ionic vätskor, 18 och catalysis19 och amongst andra fenomen och teknologier.

Ofullkomlighet av slit-por modellerar uppmuntrade Biggs i 90-tal20,21 för att framkalla en modellera av nanoporous kol som benämner Faktiskt Poröst Kol (VPC), som tillfångataganden åtminstone några av saker, som var saknad från slitpor, modellerar kvalitativt (se för att Figurera 2). Indikera, Som nytt inbjudet granskar, 23 att närma sig har detta använts omfattande för att förbättra förstår grunderna av adsorption och diffusion i kol, och bedömer och framkallar förbättrade adsorption-baserade characterisationmetoder och, för en tid sedan, modellerar för diffusion i kol.24

Figurera 2. Kort från en Monte - carlo simulering av molekylär dynamiksimulering för adsorption (överträffa) och non-equilibrium av samlas transport (botten) på ett Faktiskt Poröst Kol (VPC) av Biggs. I det bästa avbilda, visas slösar kolatomsna och de fluid molekylarna i grå färg och respektive. I bottnen avbilda, banorna som tas av vätskan till och med VPCEN under en pressalutning (som rakt till som agerar från lämnas) visas av blåttkuvertet, som har varit snitt-öppet bitvis som avslöjer den fluid hastigheten, sätter in (rött highest till mörkret - slösa mest sakta). © Markerar J. Biggs 2010.

Annan VPC modellerar har synas i nyare år, en klassificera av modellerar däribland att bruk Omvända Monte - carlo, enkallad omvändningmetod, att tvinga modellerar för att matcha riktar mäter av det mikroskopiskt strukturerar av uppsätta som målkolet liksom kol-kolet som radiell fördelning fungerar erhållande från Röntgar diffraction.25-31 Illviljan dessa framflyttningar, även den mest sofistikerade VPCEN modellerar av today är saknad många specificerar som är ofta centralen till kapaciteten av inklusive adekvat behandling för kol av heteroatoms, och strukturellt beställa det okända 1-2 nm. Dessa utfärdar tillsammans med unikhetproblemet som deltar i alla omvändningmetoder måste tilltalas, för VPCs kan användas i designsammanhanget - detta arbete är för närvarande kommande i laboratoriumet av Professorn BiggsUniversitetar av Adelaide.


Hänvisar till

1. G.S. Omenn, ”Tusen dollarUtmaningar och stora tillfällen i vetenskap, teknologi och offentlig policy”, Vetenskap 314, 1696-1704, 2006.
2. G. Ellis, Tusen dollarutmaningar för att iscensätta, Chem. Engelskt. Prog. 104(4): 11-13 2008.
3. R.E. Smalley, Storslagna Utmaningar för Smalley Institut, 2003. På cnst.rice.edu/content.aspx?id=246 (som tas fram 25 Jan 2010).
4. M. Endo, C. Kim, K. Nishimura, T. Fujino och K. Miyashita, Ny utveckling av kolmaterial för Li jonbatterier, Kol 38, 183-197, 2000.
5. J. Voelcker, LithiumBatterier för Hybrid- Bilar, 2007. På spectrum.ieee.org/green-tech/advanced-cars/lithium-batteries-for-hybrid-cars (som tas fram 25 Jan 2010).
6. Ny Vetenskap för en Säker & Hållbar EnergiFramtid. US-Avdelning av Energi, 2008. På sc.doe.gov/bes/reports.
7. Framtidsutsikt 2008 för VärldsEnergi. LandskampEnergiByrå: Paris 2008.
8. J.R. Mjölnare och P. Simon, Electrochemical kondensatorer för energiledning, Vetenskap 321, 651-652, 2008.
9. M.G. Plazaen, C. Pevida, B. Arias, J. Fermoso, M.D. Casal, C.F. Martín, F. Rubiera och J.J. Pis, Utveckling av låg-kostar biomassa-baserade adsorbents för postcombustionCO-2 tillfångatagande, Tankar 88, 2442-2447, 2009.
10. L. Wang och R.T. Yang Vätelagringsrekvisita av N-Dopat microporous kol, J. Phys. Chem. C 113, 21883-21888, 2009.
11. K. ytbehandlar Kaneko, C. Ishii, M. Ruike och H. Kuwabara, Beskärning av superhigh område, och microcrystalline graphitic strukturerar av aktiverade kol, Kol 30, 1075-1088, 1992.
12. J.M. Thomas och R. Raja som Planlägger katalysatorer för ren teknologi, grön kemi och hållbar utveckling, Annu. Rev. Mater. Res. 35 315-350, 2005.
13. T. Düren, Y.S. Bae och R.Q. Snurr, genom Att Använda molekylär simulering för att karakterisera belägga med metall-organiska ramar för adsorptionapplikationer, Chem. Soc. Rev. 38, 1237-1247, 2009.
14. P.H. Emmett, Adsorption och por-storleksanpassar mätningar på kol och whetlerites, Chem. Rev. 43, 69-148, 1948.
15. M.J. Bojan, R. Skåpbil Slooten och W. Steele, Dator-Simulering studier av lagringen av metangas i microporous kol, Sep. Sci. Teknologi 27, 1837-1856, 1992.
16. S.K. Bhatia, analys för Funktionell Teori för Täthet av påverkan av porväggheterogeneity på adsorption i kol, Langmuir 18, 6845-6856, 2002.
17. N.A. Seaton, S.P. Friedman, J.M.D. MacElroy och B.J. Murphy, Det molekylärt som såller mekanismen i molekylära siktar för kol: Molekylär dynamik och analys för kritisk bana, Langmuir 13, 1199-1204, 1997.
18. M. bevattnar Jorge, C. Schumacher och N.A. Seaton, Simuleringsstudien av verkställa av den kemiska heterogeneityen av aktiverat kol på adsorption, Langmuir 18, 9296-9306, 2002.
19. F. Rodríguez-Reinoso, Rollen av kolmaterial i heterogen catalysis, Kol 36, 159-175, 1998.
20. M. Samlas Biggs och P. Agarwal, diffusion av atom- vätskor i slumpmässiga microporeutrymmen genom att använda equilibriummolekylär-dynamik, Phys. Varv. 46, 3312-3318, 1992.
21. M. Samlas Biggs och P. Agarwal, diffusion av diatomic vätskor i slumpmässiga microporeutrymmen genom att använda equilibriummolekylär-dynamik, 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 och K. Thomson som är Molekylär modellerar av porösa kol, Chem. Phys. Kol 28, 41-228, 2003.
23. M.J. Biggs och A. Buts, Faktiska Porösa Kol: Vad de är och vad de kan användas för, Mol. Sim. 32 579-593, 2006.
24. Q. Cai, A. Buts, N.A. Seaton och M.J. Biggs, A-por knyter kontakt modellerar för diffusion i nanoporous kol: Godkännande vid molekylär dynamiksimulering, Chem. Engng. Sci. 63 3319-3327, 2008.
25. V. Petkov, R.G. DiFrancesco, S.J.L. Billinge, M. Acharya och H.C. Foley, Lokal strukturerar av nanoporous kol, Phil. Mag. B79, 1519-1530, 1999.
26. K.T. Thomson och K.E. Gubbins som Modellerar strukturell morfologi av microporous kol av Reverse 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 och J.N. Rouzaud, Strukturellt modellera av porösa kol: tvungen Omvänd Monte - carlo Metod, Langmuir 19, 8563-8582, 2003.
28. P. Zetterström, S. Urbonaite, F. Lindberg, R.G. Delaplane, J. Leis och G. Svensson, Omvända Monte - carlo studier av nanoporous kol från Muskelryckningen, Phys.: Condens. Materia 17, 3509-3524, 2005.
29. S.K. Jain, K.E Gubbins, R.J.M Pellenq och J.P. Pikunic, Molekylärt modellera och adsorptionrekvisita av porösa kol, Kol 44, 2445-2451, 2006.
30. T.X. Nguyen, N. Cohaut, J.S. Bae och S.K. Bhatia, Ny metod för atomistic modellera av microstructuren av aktiverade kol genom att använda hybrid- Omvänd Monte - carlo simulering Langmuir 24, 7912-7922, 2008.
31. S. Furmaniak, A.P. Terzyk, P.A. Gauden, P.J.F. Harris PJF och P. Kowalczyk, Kan kol ytbehandla oxidationförskjutningen som por storleksanpassar fördelning buktar beräknat från Ar, N och2 CO-adsorption2 isotherms? Simuleringsresultat för ett realistiskt kol modellerar, J. Phys.: Condens. Materia 21, 315005, 2009.

Ta Copyrightt på AZoNano.com, Professor Markerar J. Biggs (Universitetar av Adelaide)

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

Last Update: 14. June 2013 01:59

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