MultifunktionsKohlenstoff Nanotubes - Einleitung und Anwendungen des MultifunktionsKohlenstoffes Nanotubes

durch Professor Saikat Talapatra

Professor Saikat Talapatra, Abteilung von Physik, Südliche lllinois Universität Carbondale
Entsprechender Autor: stalapatra@physics.siu.edu

Kohlenstoff Nanotubes

Über dem letzten ist einige Jahrzehnte dort ein explosionsartiges Wachstum in der Forschung und Entwicklung gewesen, die auf Nano-Materialien in Verbindung gestanden wird. Unter diesen hat ein Material, Kohlenstoff Nanotubes, die Methode im Hinblick auf seine faszinierende Zelle sowie seine Fähigkeit, die Funktion-spezifischen Anwendungen zur Verfügung zu stellen geführt, die von der Elektronik, zur Energie und zur Biotechnologie reichen1,2. Kohlenstoff nanotubes (CNTs) können als Kohlenstoffbärte angesehen werden, die Röhrchen von nmabmessungen mit Eigenschaften nah an der einer idealen Graphitfaser sind. Wegen ihrer unterscheidenden Zellen können sie als Stoff in der Einabmessung (1D) angesehen werden.

Das heißt, ist ein Kohlenstoff nanotube ein Bienenwabengitter, das ein zu sich, mit Durchmessern der Ordnung von nm und von Längen bis zu einiger Mikrometer gerollt wird. Von Im Allgemeinen existieren zwei eindeutige Baumuster CNTs abhängend, ob die Gefäße mehr als hergestellt werden, ein graphene Blatt (mehrwandiges Kohlenstoff nanotube, MWNT) oder nur ein graphene Blatt (sondern Sie ummauertes Kohlenstoff nanotube, SWNT aus). Für eine ausführliche Beschreibung auf CNTs sprechen Sie bitte den Artikel durch Prof M. Endo an.

Ein Wirklich MultifunktionsMaterial

Ungeachtet der Anzahl von Wänden, werden CNTs als neue Technikmaterialien vorgestellt, die die eindeutigen physikalischen Eigenschaften besitzen, die für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet sind. Solche Eigenschaften umfassen große mechanische Festigkeit, exotische elektrische Eigenschaften und großartige Chemikalien- und Wärmebeständigkeit. Speziell die Entwicklung von Techniken für das Wachsen von Kohlenstoff nanotubes auf eine sehr esteuerte Form (wie ausgerichtete CNT-Architektur auf verschiedenen Substratflächen)3-7 sowie in großem Rahmen, Geschenkforscher auf der ganzen Erde mit erhöhten Möglichkeiten für das Anwenden dieser esteuerten CNTs-Architektur an den Bereichen von Vakuummikroelektronik, Kalt-Kathode Flachbildschirmanzeigen, Bereichemissionseinheiten, Vertikale Verbindungseinheiten, Gaszusammenbruchfühler, BioFiltration, Auf thermischem Management des Chips, Usw.

Abgesehen von ihrer hervorragenden strukturellen Integritäts- sowie Chemikalienstabilität ist das Eigentum, das Kohlenstoff nanotubes wirklich Multifunktions in der Natur macht, die Tatsache, dass Kohlenstoff nanotubes das Lot haben, zum (buchstäblich) im Hinblick auf spezifische Fläche anzubieten. Abhängig von dem Baumuster von CNTs reichen die spezifischen Flächen möglicherweise von 50 m/gm2 bis zu einigen Hunderten von m/gm2 und mit passender Reinigung bereitet die spezifischen Flächen kann bis zu ~1000 m/gm erhöht werden2 auf.

Umfangreiche theoretische und experimentelle Studien haben gezeigt, dass das Vorhandensein von großen spezifischen Flächen von der Verfügbarkeit von verschiedenen Aufnahmesites auf den nanotubes begleitet wird8. Zum Beispiel In CNTs produzierte mit Katalysator unterstütztem chemischem Bedampfen, welches die Aufnahme nur auf der Außenseite der gebogenen zylinderförmigen Wand des CNTs auftritt. Dieses ist, weil das Produktionsverfahren des CNTs unter Verwendung der Metallkatalysatoren normalerweise zu nanotubes mit geschlossenen Enden führt, dadurch es einschränkt es den Zugriff des hohlen Innenplatzes des Gefäßes.

Jedoch gibt es einfache Prozeduren (milde Chemikalie oder Wärmebehandlungen) die die Endstöpsel des MWNTs löschen können, welches dadurch die Möglichkeit einer anderen Aufnahmesites darstellt (innerhalb des Gefäßes) in MWNTs, wie schematisch gezeigt in Abbildung 1. Ähnlich führen der Massenproduktionsprozeß von SWNTs zu die Bündelung des SWNTs. Wegen dieses Bündelungseffektes, SWNT-Bündel stellen Sie verschiedene Hochenergiebindungsstellen zur verfügung (zum Beispiel Nuten, Abbildung 1.). Was dieses Mittelwerte dann ist, dass große Oberflächen im Bändchen und in diesen Oberflächen erhältlich sind, können auf andere Spezies einwirken oder können hergestellt werden und functionalized.

Abbildung 1: Die Möglichen Bindungsstellen, die für Aufnahme erhältlich sind auf (gelassenem) MWNTs und (rechtem) SWNTs taucht auf.

Werden eigene Forschungszinsen Unserer Gruppe in die Benutzung dieser Materialien an den verschiedenen Anwendungen verwiesen, die auf Energie und der Umgebung in Verbindung gestanden werden, in der ihre hohen spezifischen Flächen eine entscheidende Rolle spielen. Zwei solcher energiebezogenen Anwendungen werden unten behandelt:

  • CNT Basierte Elektrochemische Doppelschicht-Kondensatoren
  • Halterung Basierten Katalysators CNT

CNT Basierte Elektrochemische Doppelschicht-Kondensatoren

Elektrochemische Doppelschicht-Kondensatoren (EDLC: Auch gekennzeichnet als SuperKondensatoren und Ultra-Kondensatoren) werden als Einheiten vorgestellt, die die Fähigkeit der Lieferung von Hochenergiedichte sowie von Dichte der hohen Leistung haben9-11. Mit extrem hohen Lebensdauer- und Ladungeinleitung Schleifenfähigkeiten finden EDLC vielseitige Anwendungen im Militär, im Platz, im Transport, in der Telekommunikation und in den nanoelectronics Industrien.

Ein EDLC enthält zwei nicht reagierende poröse Platten (Elektroden oder Sammler mit extrem hoher spezifischer Fläche), getrennt durch eine poröse Membran und in einem Elektrolyt untergetaucht. Verschiedene Studien haben die Eignung von CNTs als EDLC-Elektroden gezeigt. Jedoch sind richtige Integration von CNTs mit Kollektorelektroden in EDLCs für die Minderung des Gesamteinheitswiderstands, um die Leistung von CNT basierten supercapacitors zu erhöhen erforderlich. Eine Strategie für das Erzielen dieses könnte CNTs direkt auf Metalloberflächen wachsen und sie als EDLC-Elektroden verwenden12 (Abbildung 2). EDLC-Elektroden mit sehr niedrigen gleichwertigen Serienwiderstand- (ESR) und -Leistungsdichten können erhalten werden, indem man solche Anflüge verwendet.

Abbildung 2: (a) Künstlerwiedergabe von EDLC gebildet durch ausgerichtetes MWNT gewachsen direkt auf Metallen (b) ein elektrochemischer Widerstandspektroskopieplan, der niedrigen ESR solcher EDLC-Einheiten und (c) sehr symmetrische und nahe rechteckige zyklische voltamograms solcher Einheiten anzeigen eindrucksvolles Kapazitanzverhalten zeigt.

Basierter Katalysator-Halterung CNT

Katalysatoren spielen eine wichtige Rolle in unserem Bestehen heute. Katalysatoren sind Teilchen (~ 10-9 Meter oder nm) denen wegen ihrer eindeutigen Oberflächeneigenschaften wichtige chemische Reaktionen erhöhen kann das Führen zu nützliche Produkte. In irgendeiner Art katalytischer Prozess, werden die Katalysatoren auf den hohen Flächematerialien zerstreut, bekannt als die Katalysatorhalterung. Die Halterung stellt mechanische Festigkeit zu den Katalysatoren zusätzlich zu erhöhen die spezifische katalytische Oberfläche und die Vergrößerung der Reaktionsgeschwindigkeiten zur Verfügung. CNTs, wegen ihrer hohen spezifischen Flächen, hervorragenden mechanischen sowie thermischen Eigenschaften und chemisch Stabilität kann das Material der Wahl für Katalysatorhalterung in einer Vielzahl von katalysierten chemischen Reaktionen möglicherweise werden.

Wir erforschen momentan die Idee der Anwendung von CNTs als Katalysatorhalterung im Syntheseprozeß (FT) Fischer Tropsch13. Die FT-Reaktion kann eine Mischung des Kohlenmonoxids und des Wasserstoffs in eine große Auswahl von gerade verketteten und verzweigten Olefinen herein konvertieren und paraffiniert und oxydiert (führend zu die Produktion von synthetischen Kraftstoffen der hohen Qualität). Unsere einleitenden FT-Syntheseexperimente auf CNT unterstützten FT-Katalysatoren (im Allgemeinen Kobalt und Eisen) zeigt, dass die Umwandlung von CO und von H, die2 mit FT Katalysator belastetes CNTs erreicht werden, Größenordnungen höher ist, als das, das mit herkömmlichen FT-Katalysatoren erreicht wird (die Abbildung 3), anzeigend, dass CNTs-Angebot, das eine neue Zucht Nichtoxid basierten Katalysators mit überlegener Leistung für FT-Synthese unterstützt.

Abbildung 3: CNT tapezieren verwendet als Katalysatorhalterung für FT-Synthese und Vergleich des Umtauschverhältnisses von Co und von H2

Bis jetzt hat CNT-Forschung erhebliche Aufregung und neue Möglichkeiten in sich entwickelnden Anwendungen geliefert, die auf interdisziplinärer Nanotechnologie basieren. Der Bereich des Wachstums des großen Umfangs von CNTs ist reifen jetzt ruhig und folglich könnte es erwartet werden, dass einige feste umfangreiche Anwendungen in naher Zukunft auftauchen14.

Quittungen

Professor Saikat Talapatra bestätigt die finanzielle Halterung, die durch das Büro der Forschung und Entwicklung (ORDA) gewährt wird an SIUC durch Lehrkörperstartfonds und eine Startwert- für Zufallsgeneratorbewilligung, durch das Illinois-Handelsministerium Und Wirtschaftliche Gelegenheit durch das Büro der Kohlen-Entwicklung und des Sauberen Kohlen-Instituts Illinois und durch NSF-ECCS (Bewilligung # 0925682) für die Durchführung einige der Forschungsthemen, die in diesem Artikel beschrieben werden. ST. möchte auch seinen Mitarbeitern sowie seinen Vergangenheit und Gegenwarts-Gruppenbauteilen für an den verschiedenen Forschungsaufwänden aktiv teilnehmen danken, die in seinem Labor aufgenommen wurden.


Bezüge

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  2. M.S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, P.Avouris, (Eds.) Kohlenstoff Nanotubes: Synthese, Zelle, Eigenschaften und Anwendungen, Themen in Angewandter Physik 80, New- Yorkspringer, (2001).
  3. W.Z. Li, et al. Synthese des Großen Umfangs von ausgerichteten Kohlenstoff nanotubes. Wissenschaft 274, 1701-1703 (1996).
  4. M. Steuerte Terrones et al. Produktion von ausgerichteten-nanotube Bündeln. Natur, 388, 52-55 (1997).
  5. Z.F. Ren, et al. Synthese von großen Reihen gut-ausgerichteter Kohlenstoff nanotubes auf Glas. Wissenschaft 282, 1105-1107 (1998).
  6. B.Q. Wei, et al. Organisierte Einheit von Kohlenstoff nanotubes. Natur 416, 495-496 (2002).
  7. S. Talapatra, S. Kar, S. Pal, R. Vajtai, L. Ci, P. Victor, M.M. Shaijjumon, S. Kaur, O. Nalamasu und P.M. Ajayan, „Wachstum des Ausgerichteten Kohlenstoffes Nanotubes auf MassenMetall“ Natur-Nanotechnologie 2, 110-113 (2006).
  8. A.D. Migone und S. Talapatra, „Aufnahme-Untersuchungen über Kohlenstoff Nanotubes“, Enzyklopädie von Nanoscience und Nanotechnologie, 4, Ed 749-767. H.S. Nalwa, ASP, USA, (2004).
  9. Burke, A. Ultracapacitors: warum, wie und wo die Technologie ist. Zapfen von Stromversorgung 91, 37-50 (2000).
  10. C. DU, J. Yeh und N. Pan „supercapacitors Dichte der Hohen Leistung unter Verwendung lokal ausgerichteter Kohlenstoff nanotube Elektroden“, Nanotechnologie 16, 350-353 (2005).
  11. R. Schah, X.F. Zhang und S. Talapatra, „Elektrochemische Doppelschicht-Kondensator-Elektroden unter Verwendung des Ausgerichteten Kohlenstoffes Nanotubes Gewachsen Direkt auf Metallen“, Nanotechnologie 20, 395202 (2009).
  12. R. Schah, X.F. Zhang, X. , Berechnete S. Kar, S. Talapatra, „Ferrocene Kohlenstoff nanotubes und ihre Anwendung als elektrochemische Doppelschichtkondensatoren“ J. Nanosci. Nanotech. 10, 4043-4048 (2010).
  13. Unveröffentlichte Daten gemeinsam mit Prof K. Mondal (Abt. von Maschinenbau-und Energie-Prozessen an Südlicher Illinois-Universität Carbondale)
  14. M. Endo, M.S. Strano und P.M. Ajayan, „Mögliche Anwendungen des Kohlenstoffes Nanotubes“, Im Kohlenstoff Nanotubes: Hoch entwickelte Themen in der Synthese, in der Zelle, in den Eigenschaften und in den Anwendungen (Themen in Angewandter Physik), Aufheben Jorio (Autor, Herausgeber), Gen Dresselhaus (Herausgeber), Mildred S. Dresselhaus (Herausgeber), 1. Ausgabe, Springer (2008).

Copyright AZoNano.com, Professor Saikat Talapatra (Südliche Illinois-Universität Carbondale)

Date Added: Feb 14, 2011 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 06:56

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