今天全部挑戰的 Nanoporous 碳: 有些機會和障礙

由 Mark Biggs 教授

標記 J. Biggs,學校,化學工程學校的負責人教授; 主任,生物 & Nanoengineering 系研究小組,阿德萊德,澳大利亞大學
對應的作者: mark.biggs@adelaide.edu.au

甚而多種1,2 博學身體和諾貝爾獲獎者3 有過去最近年識別人類必須在以後幾十年解決為了保證我們的方式生存人生處理氣候變化的起因,滿足在能源需求的巨大的增量,減少我們的對更寬的環境的影響,更加高效地利用我們的自然資源,保證安全的飲用水足够的用品,并且對恐怖主義的辯護是一些這些關鍵挑戰全部挑戰的範圍。

Nanoporous 碳在區長期扮演作用與飲用水的這些全部挑戰 (即洗淨相關; 可變的有機化合物獲取從行業的; 防毒面具),但是他們有一個更大的角色扮演到遠期。 例如, nanoporous 碳在鋰離子電池的核心,4 将使用充分地增加混合動力車輛的下一代的範圍 -5 這對減少從運輸的 CO 放射2 是重要的,6 佔所有這一類放射三分之一。 7

這些電池和 nanoporous 基於碳的 supercapacitors 為從斷斷續續的可延續的來源的能量儲備太被開發例如風8 - 這樣能量儲備對對可再造能源的大規模使用是重要的。6 Nanoporous 碳也是分隔的 CO 嚴重的替代2 從廢氣流,9 是所謂的 『碳獲取和隔離』方法的一部分許多繼續處理以保證對採煤的未來的用途作為燃料。6 終於,懷孕的 nanoporous 碳可能是有效氫存儲介質10 - 當前缺乏任何如此技術是一個主要障礙對 『氫經濟的』認識。6

因此什麼是我們叫 『nanoporous 碳』的此魔術材料? 一些可能認可 『被激活的碳』或 『多微孔的碳的』更舊的方式術語 - nanoporous 碳包含多孔碳的這些非晶形碳質的材料以及更新的形式例如碳 nanotubes 和 templated 碳。 Nanoporous 碳是高度根據甚而他們的始發地,氮氣、硫磺和 『重金屬的』原子幾乎總是包含 heteroatoms 的少量例如氧氣,氫,并且的多孔碳主導的材料。

這個毛孔 『寬度』在這些材料從較少比通過典型地範圍毫微米對 nanometres 10s 和更大。 與固定的碳概要平均值 nanoporous 碳的本質結合的毛孔的範圍和幾何有大表面11 - 典型地 1 個到 15 個網球場財產每克材料 - 與許多其他多孔材料比較。 他們可能修改的毛孔範圍和大表面、方便和 nanoporous 碳的相對惰性是一些原因為什麼它是這樣普遍的材料。

儘管他們的開發的悠久的歷史,實驗累試法仍然控制許多 nanoporous 碳的發展的許多可能驚奇瞭解,特別是較不水晶表單,至少從一個分子方面。 對分子塑造的限定用途在較不 nanoporous 碳的水晶表單設計可以與其泡沸石和其他12 水晶材料的使用對比例如13 可識別的單位晶格非常地實現塑造的金屬有機結構。

此設計的實用程序一般證明許多次。 例如,它繼續加固許多實驗碳描述特性使用的方法今天。 它與甲烷吸附的分子模擬一道在 20 世紀 90 年代初也用於識別最佳的毛孔範圍和條件的被吸附的天然氣存貯。15

圖。 1. 毛孔寬度 h 由基礎表面二定義反對石墨半無限的塊。 當 Bandosz 回顧等22 指示,此設計廣泛地用於以分子模擬學習吸附、擴散和回應在 nanoporous 碳。 © 標記 J. Biggs 2010年。

例如,在毛孔的吸附與實驗建議的稀薄的牆壁與那裂縫毛孔設計有所不同。16 這個設計也不承認有限的毛孔長度,可以是表面的一個重大的來源,11 亦不知道是重要的在擴散的毛孔系統拓撲。17 終於,它不允許 heteroatoms 包括以一個可實現的方式,對氫存貯,極性和10 離子流體的吸附是中央的18 和催化19 和在其他現象和技術中。

當最近被邀請的覆核指示,23 此途徑廣泛地用於更好瞭解吸附和擴散根本性在碳,并且,最近,估計并且開發被改進的基於吸附的描述特性方法,并且設計擴散的在碳。24

在 Biggs 虛擬多孔碳的圖 2. 快照從吸附 (頂層) 和不平衡質量輸運 (底層) 的分子動力學模擬的蒙特卡洛模擬 (VPC)。 在這個頂部圖像,碳原子和流動分子在灰色和藍色分別顯示。 在這個底部圖像,流體採取的路通過 VPC 在壓力梯度下 (從右到左操作從) 由藍色信包顯示,是剪切開放的在安排顯示可變的速度域 (紅色最高對深藍最低速)。 © 標記 J. Biggs 2010年。

其他 VPC 設計在最近歲月出現,包括使用反向蒙特卡洛設計的選件類,一個所謂的倒數方法,強制設計符合目標碳的微觀結構的直接評定例如從 X 光衍射得到的碳碳輻形分佈函數。25-31 儘管這些預付款,今天甚而最複雜的 VPC 設計想念對碳性能經常是中央的包括 heteroatoms 和結構上的秩序足够的處理在 1-2 毫微米之外的許多詳細資料。 的唯一性問題的必須論及這些問題以及出席所有倒數方法,在 VPCs 可以用於設計環境 - 前此工作是目前進行中的在 Biggs 教授實驗室在阿德萊德大學


參考

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版權 AZoNano.com,標記 J. Biggs (阿德萊德大學教授)

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

Last Update: 14. June 2013 01:12

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