Nanotubes Multifonction de Carbone - Introduction et Applications des Nanotubes Multifonction de Carbone

par Professeur Saikat Talapatra

Professeur Saikat Talapatra, Département de Physique, Université Du Sud Carbondale de lllinois
Auteur Correspondant : stalapatra@physics.siu.edu

Nanotubes de Carbone

Au-dessus de l'antérieur plusieurs décennies là a été un accroissement explosif de la recherche et développement liée aux matériaux nanos. Parmi des ces un matériau, Nanotubes de carbone, a abouti la voie en termes de sa structure fascinante ainsi que sa capacité de fournir des applications fonctionnement-particulières s'échelonnant de l'électronique, à l'énergie et à la biotechnologie1,2. Des nanotubes de Carbone (CNTs) peuvent être visualisés comme favoris de carbone, qui sont des tubules des cotes de nanomètre avec des propriétés près de cela d'une fibre idéale de graphite. En Raison de leurs structures distinctives ils peuvent être considérés comme substance dans l'un-cote (1D).

En d'autres termes, un nanotube de carbone est un réseau de nid d'abeilles roulé en circuit à lui-même, avec des diamètres de la commande des nanomètres et des longueurs de jusqu'à plusieurs micromètres. Généralement, deux types distincts de CNTs existent dépendant en si les tubes sont faits plus d'une feuille de graphene (nanotube muré multi de carbone, MWNT) ou seulement une feuille de graphene (choisissez le nanotube muré de carbone, SWNT). Pour une description détaillée sur CNTs référez-vous s'il vous plaît à l'article par Prof. M. Endo.

Un Matériau Véritablement Multifonction

Indépendamment du nombre de parois, CNTs sont envisagés en tant que matériaux de bureau d'études neufs qui possèdent de seules propriétés physiques adaptées pour un grand choix d'applications. De Telles propriétés comprennent la grande force mécanique, les caractéristiques électriques exotiques et la stabilité de produit chimique et thermique superbe. Particulièrement, le développement des techniques pour élever des nanotubes de carbone d'une mode très réglée (telle que des architectures alignées de CNT sur les substrats variés)3-7 ainsi que à grande échelle, chercheurs de présents partout dans le monde avec des possibilités améliorées pour s'appliquer ces architectures réglées de CNTs aux zones de la microélectronique d'Aspirateur, affichages à panneau plat de Rhume-Cathode, dispositifs d'émission de champ, Assemblages Verticaux d'interconnexion, senseurs de panne de Gaz, Bio Filtration, Sur le management thermique de puce, Etc.

Indépendamment de leur stabilité structurelle en suspens d'intégrité ainsi que de produit chimique, la propriété qui rend des nanotubes de carbone vraiment multifonction en nature est le fait que les nanotubes de carbone ont le sort à offrir (littéralement) en termes de surface particulière. Selon le type de CNTs les surfaces particulières peuvent s'échelonner de 50 m/gm2 à plusieurs centaines de m/gm2 et avec des procédés appropriés de purification les surfaces particulières peuvent être augmentées jusqu'à ~1000 m/gm2.

Vaste théorique et les études expérimentales ont prouvé que la présence de grandes surfaces particulières est accompagnée de la disponibilité de différents sites d'adsorption sur les nanotubes8. Par exemple, Dans CNTs a produit utilisant la déposition en phase vapeur aidée par catalyseur que l'adsorption se produit seulement sur la surface externe de la paroi cylindrique incurvée du CNTs. C'est parce que le procédé de production du CNTs utilisant des catalyseurs en métal mène habituellement aux nanotubes avec les extrémités fermées, limitant de ce fait l'accès de l'espace intérieur creux du tube.

Cependant, il y a des méthodes simples (demandes de règlement chimiques ou thermiques modérées) qui peuvent retirer les bouchons d'embout du MWNTs présentant de ce fait la possibilité d'un autre site d'adsorption (à l'intérieur du tube) dans MWNTs comme schématiquement représenté sur le Schéma 1. De Même, le procédé de production de large échelle de SWNTs mènent à l'empaquetement du SWNTs. En Raison de ceci l'empaquetement de l'effet, paquets de SWNT fournissent les accepteurs variés de haute énergie (par exemple incisions, le Schéma 1.). Ce Que ce le moyen est alors que les grandes surfaces sont disponibles dans le petit volume et ces surfaces peut agir l'un sur l'autre avec l'autre substance ou peut être réglé et functionalized.

Le Schéma 1 : Accepteurs Possibles disponibles pour l'adsorption sur de bonnes) de SWNTs surfaces (laissées) de MWNTs et (.

Les propres intérêts des recherches de Notre groupe sont dirigés dans employer ces matériaux dans différentes applications liées à l'énergie et à l'environnement, où leurs superficies particulières élevées jouent un rôle essentiel. Deux de telles applications énergétiques sont discutés ci-dessous :

  • Condensateurs Électrochimiques Basés de Double Couche de CNT
  • Support Basé de catalyseur de CNT

Condensateurs Électrochimiques Basés de Double Couche de CNT

Condensateurs Électrochimiques de Double Couche (EDLC : Également désigné sous le nom des Condensateurs et des Ultra-Condensateurs Superbes) sont envisagés comme dispositifs qui auront la capacité de fournir la densité de haute énergie ainsi que la densité de haute énergie9-11. Avec des capacités extrêmement élevées de durée de vie et de cycle de charge-débit EDLC trouvent des applications versatiles dans les militaires, l'espace, le transport, la télécommunication et les industries de nanoelectronics.

Un EDLC contient deux plaques poreuses non réactives (des électrodes ou des collecteurs avec la surface particulière extrêmement élevée), séparées par une membrane poreuse et immergées dans un électrolyte. Les études Variées ont affiché l'aptitude de CNTs comme électrodes d'EDLC. Cependant, l'intégration correcte de CNTs avec des électrodes de collecteur dans EDLCs sont nécessaire pour réduire à un minimum la résistance générale de dispositif afin d'augmenter la performance des supercapacitors basés de CNT. Une stratégie pour réaliser ceci pourrait élever CNTs directement sur des surfaces métalliques et les utiliser comme électrodes d'EDLC12 (le Schéma 2). Des électrodes d'EDLC avec la résistance de suite équivalente très faible (ESR) et les densités de haute énergie peuvent être obtenues à l'aide de tels élans.

Le Schéma 2 : (a) Interprétation d'Artiste d'EDLC constitué par MWNT aligné développée directement sur les métaux (b) Un traçage électrochimique de spectroscopie d'impédance affichant l'ESR faible de tels dispositifs d'EDLC et (c) voltamograms cycliques rectangulaires très symétriques et proches de tels dispositifs indiquant le comportement impressionnant de capacité.

Support Basé de Catalyseur de CNT

Les Catalyseurs jouent un rôle majeur dans notre existence aujourd'hui. Les Catalyseurs sont de petites particules (~ 10-9 mètres, ou nanomètre) qu'en raison de leurs seules propriétés extérieures peut augmenter des réactions chimiques importantes mener aux produits utiles. Dans n'importe quel genre de procédé catalytique, les catalyseurs sont dispersés sur les matériaux élevés de surface, connus sous le nom de support de catalyseur. Le support fournit la force mécanique aux catalyseurs en plus de augmentent la surface catalytique particulière et augmenter les tarifs de réaction. CNTs, dû à leurs surfaces particulières élevées, propriétés mécaniques ainsi que thermiques en suspens et chimiquement stabilité peut potentiellement devenir le matériau du choix pour le support de catalyseur dans un grand choix de réactions chimiques catalysées.

Nous explorons actuellement l'idée d'utiliser CNTs comme support de catalyseur dans le procédé de synthèse (FT) de Fischer Tropsch13. La réaction de PI peut convertir un mélange de monoxyde de carbone et d'hydrogène dedans en un large éventail d'oléfines enchaînées et branchées de droit et paraffine et oxygène (menant à la production des essences synthétiques de haute qualité). Nos expériences préliminaires de synthèse de PI sur les catalyseurs de PI supportés par CNT (généralement cobalt et fer) prouve que la conversion de la CO et du H2 obtenus avec PI CNTs chargé par catalyseur est des ordres de grandeur plus haut que cela obtenu avec les catalyseurs conventionnels de PI (le Schéma 3), indiquant qu'offre de CNTs qu'une race neuve de catalyseur basé de non-oxyde supporte avec des performances supérieures pour la synthèse de PI.

Le Schéma 3 : CNT empaquettent utilisé comme support de catalyseur pour la synthèse de PI et la comparaison du ratio de conversion de la Co et du H2

Jusqu'ici, la recherche de CNT a fourni l'excitation substantielle, et les possibilités nouvelles dans des applications se développantes basées sur la nanotechnologie interdisciplinaire. Le domaine de l'accroissement de large échelle de CNTs est tranquille mûrissent maintenant et par conséquent il pourrait prévoir que plusieurs applications de large volume solides apparaîtront dans un avenir proche14.

Remerciements

Professeur Saikat Talapatra reconnaît le soutien financier donné par le Bureau de la Recherche et développement (ORDA) à SIUC par des fonds de démarrage de corps enseignant et une concession de graine, par le Ministère Du Commerce de l'Illinois Et Opportunité Économique par le Bureau du Développement de Charbon et de l'Institut Propre de Charbon de l'Illinois et par NSF-ECCS (concession # 0925682) pour effectuer certains des thèmes de recherches décrits en cet article. Le ST voudrait également remercier ses collaborateurs ainsi que ses membres du groupe de passé et présent de participer activement aux efforts de recherche variés entrepris dans son laboratoire.


Références

  1. P.M. Ajayan, « Nanotubes de carbone », Révisions Chimiques, Vol. 99, P1787 (1999).
  2. M.S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, P.Avouris, (Eds.) Nanotubes de Carbone : Synthèse, Structure, Propriétés et Applications, Sujets dans la Physique Appliquée 80, New York Springer, (2001).
  3. W.Z. Li, et autres synthèse de Large échelle des nanotubes alignés de carbone. La Science 274, 1701-1703 (1996).
  4. M. Terrones A Et Autres Réglé la production des paquets d'aligner-nanotube. Nature, 388, 52-55 (1997).
  5. Z.F. Ren, et autres Synthèse de grands alignements de nanotubes bien-alignés de carbone sur la glace. La Science 282, 1105-1107 (1998).
  6. B.Q. Wei, et autres assemblage Dispensé des nanotubes de carbone. Nature 416, 495-496 (2002).
  7. S. Talapatra, S. Kar, S. Pal, R. Vajtai, L. Ci, P. Victor, M.M. Shaijjumon, S. Kaur, O. Nalamasu et P.M. Ajayan, « Accroissement des Nanotubes Alignés de Carbone Nanotechnologie 2, 110-113 de Nature sur En Métal En Vrac » (2006).
  8. A.D. Migone et S. Talapatra, « Études d'Adsorption sur les Nanotubes de Carbone », l'Encyclopédie de Nanoscience et la Nanotechnologie, 4, ed 749-767. H.S. Nalwa, ASP, ETATS-UNIS, (2004).
  9. Burke, A. Ultracapacitors : pourquoi, comment, et où est la technologie. Tourillon des Sources d'Énergie 91, 37-50 (2000).
  10. C. Du, J. Yeh et N. Pan « supercapacitors de densité de Haute énergie utilisant les électrodes localement alignées de nanotube de carbone », Nanotechnologie 16, 350-353 (2005).
  11. R. Shah, X.F. Zhang et S. Talapatra, « Électrodes Électrochimiques de Condensateur de Double Couche utilisant des Nanotubes Alignés de Carbone Développées Directement sur des Métaux », Nanotechnologie 20, 395202 (2009).
  12. R. Shah, X.F. Zhang, X. , S. Kar, S. Talapatra, « Ferrocene a dérivé des nanotubes de carbone et leur application en tant que condensateurs électrochimiques » J. Nanosci de double layer. Nanotechnologie. 10, 4043-4048 (2010).
  13. Données Non Publiées en collaboration avec Prof. K. Mondal (Service des Procédés d'Industrie Mécanique et d'Énergie à Université Du Sud Carbondale de l'Illinois)
  14. M. Endo, M.S. Strano et P.M. Ajayan, « Applications Possibles des Nanotubes de Carbone », Dans des Nanotubes de Carbone : Sujets Avancés dans la Synthèse, la Structure, les Propriétés et les Applications (Sujets dans la Physique Appliquée), Agitation Jorio (Auteur, Éditeur), Gène Dresselhaus (Éditeur), Mildred S. Dresselhaus (Éditeur), ?ère Édition, Springer (2008).

Droit d'auteur AZoNano.com, Professeur Saikat Talapatra (Université Du Sud Carbondale de l'Illinois)

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

Last Update: 14. June 2013 06:53

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