Carbón Multifuncional Nanotubes - Introducción y Aplicaciones del Carbón Multifuncional Nanotubes

por Profesor Saikat Talapatra

Profesor Saikat Talapatra, Departamento de la Física, Universidad Meridional Carbondale de los lllinois
Autor Correspondiente: stalapatra@physics.siu.edu

Carbón Nanotubes

Sobre el último varias décadas allí han sido un incremento explosivo en la investigación y desarrollo relacionada con los materiales nanos. Entre estos un material, carbón Nanotubes, ha llevado la manera en términos de su estructura fascinadora así como su capacidad de proporcionar a las aplicaciones función-específicas que colocaban de electrónica, a la energía y a la biotecnología1,2. Los nanotubes del Carbón (CNTs) se pueden ver como barbas del carbón, que son túbulos de las dimensiones del nanómetro con las propiedades cerca del de una fibra ideal del grafito. Debido a sus estructuras distintivas pueden ser considerados como materia en la uno-dimensión (1D).

Es decir un nanotube del carbón es un cedazo del panal laminado conectado a sí mismo, con los diámetros de la orden de nanómetros y de longitudes hasta de varios micrómetros. Generalmente, dos tipos distintos de CNTs existen dependiendo de si los tubos están hechos más de una hoja del graphene (nanotube emparedado multi del carbón, MWNT) o solamente una hoja del graphene (escoja el nanotube emparedado del carbón, SWNT). Para una descripción detallada en CNTs refiera por favor al artículo de Profesor M. Endo.

Un Material Verdaderamente Multifuncional

Con independencia del número de paredes, CNTs se preve como nuevos materiales de ingeniería que posean las propiedades físicas únicas convenientes para una variedad de aplicaciones. Tales propiedades incluyen fuerza mecánica grande, características eléctricas exóticas y estabilidad magnífica del substancia químico y térmica. Específicamente, el revelado de las técnicas para crecer nanotubes del carbón en una moda muy controlada (tal como configuraciones alineadas de CNT en los diversos substratos)3-7 así como a gran escala, investigadores de los presentes por todo el mundo con las posibilidades aumentadas de aplicar estas configuraciones controladas de CNTs a los campos de las microelectrónicas del Vacío, pantallas planas del Frío-Cátodo, dispositivos de la emisión de Campo, ensamblajes Verticales de la interconexión, sensores de la ruptura del Gas, Bio Filtración, En la administración térmica de la viruta, el Etc.

Aparte de su estabilidad estructural excepcional de la integridad así como de la substancia química, la propiedad que hace nanotubes del carbón verdaderamente multifuncionales en naturaleza es el hecho de que los nanotubes del carbón tienen lote a ofrecer (literalmente) en términos de superficie específica. Dependiendo del tipo de CNTs las superficies específicas pueden colocar a partir de 50 m/gm2 a varios centenares de m/gm2 y con la purificación apropiada tramita las superficies específicas puede ser aumentado hasta ~1000 m/gm2.

Los estudios teóricos y experimentales Extensos han mostrado que la presencia de superficies específicas grandes es acompañada por la disponibilidad de diversos sitios de la adsorción en los nanotubes8. Por ejemplo, En CNTs produjo con la deposición de vapor químico ayudada catalizador que la adsorción ocurre solamente en la superficie exterior de la pared cilíndrica curvada del CNTs. Esto es porque el proceso de producción del CNTs usando los catalizadores del metal lleva generalmente a los nanotubes con los extremos cerrados, de tal modo restringiendo el acceso del espacio interior hueco del tubo.

Sin Embargo, hay los procedimientos simples (tratamientos químicos o térmicos suaves) que pueden quitar los casquillos de extremo del MWNTs de tal modo que presenta la posibilidad de otro sitio de la adsorción (dentro del tubo) en MWNTs según lo mostrado esquemáticamente en el Cuadro 1. Semejantemente, el proceso de producción del gran escala de SWNTs lleva a liar del SWNTs. Debido a este efecto que lía, manojos de SWNT proporcione a los diversos puntos de enlace de la alta energía (por ejemplo ranuras, al Cuadro 1.). Cuál este los medios son entonces que las superficies grandes están disponibles en pequeño volumen y estas superficies puede obrar recíprocamente con la otra especie o puede ser adaptado y functionalized.

Cuadro 1: Los puntos de enlace Posibles disponibles para la adsorción en MWNTs (dejado) y SWNTs (derecho) alisan.

Propios intereses de la investigación de Nuestro grupo se dirigen en utilizar estos materiales en diversas aplicaciones relacionadas con la energía y el ambiente, donde sus altas superficies específicas desempeñan un papel crucial. Dos de tales aplicaciones energéticas se discuten abajo:

  • CNT Basó los Condensadores Electroquímicos de la Capa Doble
  • Soporte del catalizador Basado de CNT

CNT Basó los Condensadores Electroquímicos de la Capa Doble

Condensadores Electroquímicos de la Capa Doble (EDLC: También designado los Condensadores y los Ultra-Condensadores Estupendos) se preven como dispositivos que tengan la capacidad de proporcionar a densidad de alta energía así como a densidad de poder más elevado9-11. Con capacidades extremadamente altas de la vida útil y del ciclo del carga-licenciamiento EDLC están encontrando aplicaciones versátiles en los militares, el espacio, el transporte, las telecomunicaciones y las industrias del nanoelectronics.

Un EDLC contiene dos placas porosas no reactivas (los electrodos o los colectores con superficie específica extremadamente alta), separadas por una membrana porosa y sumergidas en un electrólito. Los Diversos estudios han mostrado la conveniencia de CNTs como electrodos de EDLC. Sin Embargo, la integración apropiada de CNTs con los electrodos de colector en EDLCs es necesaria para disminuir la resistencia total del dispositivo para aumentar el funcionamiento de supercapacitors basados CNT. Una estrategia para lograr esto podría crecer CNTs directamente en superficies de metal y usarlas como electrodos de EDLC12 (Cuadro 2). Los electrodos de EDLC con resistencia de serie equivalente muy inferior (ESR) y las densidades de poder más elevado se pueden obtener usando tales aproximaciones.

Cuadro 2: (a) Interpretación del Artista de EDLC formado por MWNT alineado crecida directamente en los metales (b) Un gráfico electroquímico de la espectroscopia de la impedancia que muestra el ESR inferior de tales dispositivos de EDLC y (c) voltamograms cíclicos rectangulares muy simétricos y cercanos de tales dispositivos que indican comportamiento impresionante de la capacitancia.

Soporte del Catalizador Basado de CNT

Los Catalizadores desempeñan un papel importante en nuestra existencia hoy. Los Catalizadores son las pequeñas partículas (~ 10-9 contadores, o nanómetro) que debido a sus propiedades superficiales únicas puede aumentar reacciones químicas importantes el llevar a los productos útiles. En cualquier clase de proceso catalítico, los catalizadores se dispersan en los altos materiales de la superficie, conocidos como el soporte del catalizador. El soporte proporciona a fuerza mecánica a los catalizadores además de aumenta la superficie catalítica específica y el aumento de los tipos de reacción. CNTs, debido a sus altas superficies específicas, propiedades mecánicas así como térmicas excepcionales y químicamente estabilidad puede potencialmente convertirse en el material de la opción para el soporte del catalizador en una variedad de reacciones químicas catalizadas.

Estamos explorando actualmente la idea de usar CNTs como soporte del catalizador en el proceso de la síntesis (FT) de Fischer Tropsch13. La reacción del PIE puede convertir una mezcla del monóxido y del hidrógeno de carbono hacia adentro a una amplia gama derecho de olefinas encadenadas y ramificadas y encera con parafina y oxigena (llevando a la producción de combustibles sintetizados de alta calidad). Nuestros experimentos preliminares de la síntesis del PIE en los catalizadores utilizados CNT del PIE (generalmente cobalto e hierro) muestran que la conversión del CO y de H2 obtenidos con el PIE CNTs cargado catalizador es órdenes de magnitud más arriba que lo obtenida con los catalizadores convencionales del PIE (Cuadro 3), indicando que oferta de CNTs que una nueva raza del catalizador basado del no-óxido utiliza con el rendimiento superior para la síntesis del PIE.

Cuadro 3: CNT empapelan utilizado como soporte del catalizador para la síntesis del PIE y la comparación de la relación de transformación de conversión del Co y de H2

Hasta ahora, la investigación de CNT ha proporcionado al entusiasmo sustancial, y a posibilidades nuevas en las aplicaciones que se convertían basadas en la nanotecnología interdisciplinaria. El área del incremento del gran escala de CNTs es reservada ahora se madura y por lo tanto podría ser preveído que emergerán varias aplicaciones de gran capacidad sólidas en un futuro próximo14.

Acuses De Recibo

Profesor Saikat Talapatra reconoce la ayuda financiera proporcionada por la Oficina de la Investigación y desarrollo (ORDA) en SIUC con fondos de lanzamiento de la facultad y una concesión del germen, por el Ministerio de Illinois de Comercio y la Oportunidad Económica a través de la Oficina del Revelado del Carbón y del Instituto Limpio del Carbón de Illinois y por NSF-ECCS (concesión # 0925682) para realizar algunos de los temas de la investigación descritos en este artículo. El ST también quisiera agradecer sus colaboradores así como a sus piezas del grupo del pasado y presente por activamente participar en los diversos esfuerzos de investigación emprendidos en su laboratorio.


Referencias

  1. P.M. Ajayan, “Nanotubes del carbón”, Revistas Químicas, Vol. 99, P1787 (1999).
  2. M.S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, P.Avouris, (Eds.) Carbón Nanotubes: Síntesis, Estructura, Propiedades y Aplicaciones, Temas en la Física Aplicada 80, Saltador de Nueva York, (2001).
  3. W.Z. Li, y otros síntesis del Gran escala de los nanotubes alineados del carbón. Ciencia 274, 1701-1703 (1996).
  4. M. Terrones y otros Controló la producción de manojos alineados-nanotube. Naturaleza, 388, 52-55 (1997).
  5. Z.F. Ren, y otros Síntesis de matrices grandes de nanotubes bien-alineados del carbón sobre el cristal. Ciencia 282, 1105-1107 (1998).
  6. B.Q. Wei, y otros ensamblaje Ordenado de nanotubes del carbón. Naturaleza 416, 495-496 (2002).
  7. S. Talapatra, S. Kar, S. PAL, R. Vajtai, L. Ci, P. Victor, M.M. Shaijjumon, S. Kaur, O. Nalamasu y P.M. Ajayan, “Incremento del Carbón Alineado Nanotubes en Nanotecnología 2, 110-113 de la Naturaleza de los Metales A Granel” (2006).
  8. A.D. Migone y S. Talapatra, “Estudios de la Adsorción en el Carbón Nanotubes”, Enciclopedia de Nanoscience y Nanotecnología, 4, ed 749-767. H.S. Nalwa, ASP, los E.E.U.U., (2004).
  9. Burke, A. Ultracapacitors: porqué, cómo, y donde está la tecnología. Gorrón de las Fuentes de Energía 91, 37-50 (2000).
  10. C. Du, J. Yeh y N. Pan “supercapacitors de la densidad de Poder más elevado usando los electrodos localmente alineados del nanotube del carbón”, Nanotecnología 16, 350-353 (2005).
  11. R. Sah, X.F. Zhang y S. Talapatra, “Electrodos Electroquímicos del Condensador de la Capa Doble usando el Carbón Alineado Nanotubes Crecidos Directamente en los Metales”, Nanotecnología 20, 395202 (2009).
  12. R. Sah, X.F. Zhang, X. , S. Kar, S. Talapatra, “Ferrocene derivó nanotubes del carbón y su aplicación como condensadores electroquímicos” J. Nanosci de la capa doble. Nanotech. 10, 4043-4048 (2010).
  13. Datos Inéditos en colaboración con Profesor K. Mondal (Departamento de los Procesos de la Ingeniería Industrial y de la Energía en la Universidad Meridional Carbondale de Illinois)
  14. M. Endo, M.S. Strano y P.M. Ajayan, “Aplicaciones Potenciales del Carbón Nanotubes”, En el Carbón Nanotubes: Temas Avanzados en la Síntesis, la Estructura, las Propiedades y las Aplicaciones (Temas en la Física Aplicada), Ruido Jorio (Autor, Editor), Gen Dresselhaus (Editor), Mildred S. Dresselhaus (Editor), 1ra Edición, Saltador (2008).

Derechos De Autor AZoNano.com, Profesor Saikat Talapatra (Universidad Meridional Carbondale de Illinois)

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

Last Update: 14. June 2013 07:20

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