今天全部挑战的 Nanoporous 碳: 有些机会和障碍

由 Mark Biggs 教授

标记 J. Biggs,学校,化学工程学校的负责人教授; 主任,生物 & Nanoengineering 系研究小组,阿德莱德,澳大利亚大学
对应的作者: mark.biggs@adelaide.edu.au

甚而多种1,2 博学身体和诺贝尔获奖者3 有过去最近年识别人类必须在以后几十年解决为了保证我们的方式生存人生处理气候变化的起因,满足在能源需求的巨大的增量,减少我们的对更宽的环境的影响,更加高效地利用我们的自然资源,保证安全的饮用水足够的用品,并且对恐怖主义的辩护是一些这些关键挑战全部挑战的范围。

Nanoporous 碳在区长期扮演作用与饮用水的这些全部挑战 (即洗净相关; 可变的有机化合物获取从行业的; 防毒面具),但是他们有一个更大的角色扮演到远期。 例如, nanoporous 碳在锂离子电池的核心,4 将使用充分地增加混合动力车辆的下一代的范围 -5 这对减少从运输的 CO 放射2 是重要的,6 占所有这一类放射三分之一。 7

这些电池和 nanoporous 基于碳的 supercapacitors 为从断断续续的可延续的来源的能量储备太被开发例如风8 - 这样能量储备对对可再造能源的大规模使用是重要的。6 Nanoporous 碳也是分隔的 CO 严重的替代2 从废气流,9 是所谓的 ‘碳获取和隔离’方法的一部分许多继续处理以保证对采煤的未来的用途作为燃料。6 终于,怀孕的 nanoporous 碳可能是有效氢存储介质10 - 当前缺乏任何如此技术是一个主要障碍对 ‘氢经济的’认识。6

因此什么是我们叫 ‘nanoporous 碳’的此魔术材料? 一些可能认可 ‘被激活的碳’或 ‘多微孔的碳的’更旧的方式术语 - nanoporous 碳包含多孔碳的这些非晶形碳质的材料以及更新的形式例如碳 nanotubes 和 templated 碳。 Nanoporous 碳是高度根据甚而他们的始发地,氮气、硫磺和 ‘重金属的’原子几乎总是包含 heteroatoms 的少量例如氧气,氢,并且的多孔碳主导的材料。

这个毛孔 ‘宽度’在这些材料从较少比通过典型地范围毫微米对 nanometres 10s 和更大。 与固定的碳概要平均值 nanoporous 碳的本质结合的毛孔的范围和几何有大表面11 - 典型地 1 个到 15 个网球场财产每克材料 - 与许多其他多孔材料比较。 他们可能修改的毛孔范围和大表面、方便和 nanoporous 碳的相对惰性是一些原因为什么它是这样普遍的材料。

尽管他们的开发的悠久的历史,实验累试法仍然控制许多 nanoporous 碳的发展的许多可能惊奇了解,特别是较不水晶表单,至少从一个分子方面。 对分子塑造的限定用途在较不 nanoporous 碳的水晶表单设计可以与其泡沸石和其他12 水晶材料的使用对比例如13 可识别的单位晶格非常地实现塑造的金属有机结构。

对许多 nanoporous 碳,所谓的 ‘裂缝毛孔’设计 (参见图 - 追溯到在 20 世纪 40 年代的至少 Emmett -14 的 1) 使用了作为代理单位晶格。 此设计的实用程序一般证明许多次。 例如,它继续加固许多实验碳描述特性使用的方法今天。 它与甲烷吸附的分子模拟一道在 20 世纪 90 年代初也用于识别最佳的毛孔范围和条件的被吸附的天然气存贮。15

图。 1. Emmett14 裂缝毛孔设计: 毛孔宽度 h 由基础表面二定义反对石墨半无限的块。 当 Bandosz 回顾等22 指示,此设计广泛地用于以分子模拟学习吸附、扩散和回应在 nanoporous 碳。 © 标记 J. Biggs 2010年。

尽管 Emmett 裂缝毛孔设计的大众化,它也省略可能在许多情况下扮演重要角色碳的许多详细资料。 例如,在毛孔的吸附与实验建议的稀薄的墙壁与那裂缝毛孔设计有所不同。16 这个设计也不承认有限的毛孔长度,可以是表面的一个重大的来源,11 亦不知道是重要的在扩散的毛孔系统拓扑。17 终于,它不允许 heteroatoms 包括以一个可实现的方式,对氢存贮,极性和10 离子流体的吸附是中央的18 和催化19 和在其他现象和技术中。

这个裂缝毛孔设计开发设计的 20 世纪 90 年代的鼓励的20,21 Biggs 的缺点 nanoporous 碳,被命名虚拟多孔碳 (VPC),定性地获取至少某些事情从裂缝毛孔设计失踪 (参见图 2)。 当最近被邀请的复核指示,23 此途径广泛地用于更好了解吸附和扩散根本性在碳,并且,最近,估计并且开发被改进的基于吸附的描述特性方法,并且设计扩散的在碳。24

在 Biggs 虚拟多孔碳的图 2. 快照从吸附 (顶层) 和不平衡质量输运 (底层) 的分子动力学模拟的蒙特卡洛模拟 (VPC)。 在这个顶部图象,碳原子和流动分子在灰色和蓝色分别显示。 在这个底部图象,流体采取的路通过 VPC 在压力梯度下 (从右到左操作从) 由蓝色信包显示,是剪切开放的在安排显示可变的速度域 (红色最高对深蓝最低速)。 © 标记 J. Biggs 2010年。

其他 VPC 设计在最近岁月出现,包括使用反向蒙特卡洛设计的选件类,一个所谓的倒数方法,强制设计符合目标碳的微观结构的直接评定例如从 X 光衍射得到的碳碳辐形分布函数。25-31 尽管这些预付款,今天甚而最复杂的 VPC 设计想念对碳性能经常是中央的包括 heteroatoms 和结构上的秩序足够的处理在 1-2 毫微米之外的许多详细资料。 的唯一性问题的必须论及这些问题以及出席所有倒数方法,在 VPCs 可以用于设计环境 - 前此工作是目前进行中的在 Biggs 教授实验室在阿德莱德大学


参考

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版权 AZoNano.com,标记 J. Biggs (阿德莱德大学教授)

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

Last Update: 14. June 2013 01:08

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