Carbonio Multifunzionale Nanotubes - Introduzione ed Applicazioni di Carbonio Multifunzionale Nanotubes

dal Professor Saikat Talapatra

Il Professor Saikat Talapatra, Dipartimento di Fisica, Università Del Sud Carbondale di lllinois
Autore Corrispondente: stalapatra@physics.siu.edu

Carbonio Nanotubes

Durante i parecchi decenni passati c'è stato una crescita esplosiva in ricerca e sviluppo relativi ai materiali nani. Fra i questi un materiale, il carbonio Nanotubes, piombo il modo in termini di sua struttura affascinante come pure sua capacità fornire le applicazioni funzione-specifiche che variano dall'elettronica, ad energia ed a biotecnologia1,2. I nanotubes del Carbonio (CNTs) possono essere osservati come basette del carbonio, che sono tubuli delle dimensioni di nanometro con i beni vicino a quella di una fibra ideale della grafite. dovuto le loro strutture distintive possono essere considerati come materia nella un-dimensione (1D).

Cioè un nanotube del carbonio è una grata del favo laminata sopra a se stesso, con i diametri dell'ordine dei nanometri e le lunghezze fino a parecchi micrometri. Generalmente, due tipi distinti di CNTs esistono dipendendo di se i tubi sono fatti più di una lamiera sottile del graphene (multi nanotube murato del carbonio, MWNT) o soltanto una lamiera sottile del graphene (scelga il nanotube murato del carbonio, SWNT). Per una descrizione dettagliata su CNTs riferisca prego all'articolo da Prof. M. Endo.

Un Materiale Vero Multifunzionale

Indipendentemente dal numero delle pareti, CNTs è preveduto come nuovi materiali per il settore meccanico che possiedono le proprietà fisiche uniche adatte a varie applicazioni. Tali beni comprendono la grande concentrazione meccanica, le caratteristiche elettriche instabili e la stabilità termica superba e del prodotto chimico. Specificamente, lo sviluppo delle tecniche per la coltura dei nanotubes del carbonio ad un modo molto controllato (quali le architetture state allineate di CNT sui vari substrati)3-7 come pure su vasta scala, ricercatori dei presente dappertutto con le possibilità migliorate per l'applicazione delle queste architetture controllate di CNTs ai campi delle microelettroniche di Vuoto, schermi piatti del Freddo-Catodo, unità dell'emissione di Campo, assembly Verticali di interconnessione, sensori di ripartizione del Gas, Bio- Filtrazione, Sulla gestione termica del chip, Ecc.

Oltre alla loro stabilità strutturale eccezionale del prodotto chimico come pure di integrità, i beni che rendono i nanotubes del carbonio vero multifunzionali in natura sono il fatto che i nanotubes del carbonio hanno lotto da offrire (letteralmente) in termini di area specifica. Secondo il tipo di CNTs le aree specifiche possono variare da 50 m/gm2 a parecchie centinaia di m/gm2 e con depurazione appropriata elabora le aree specifiche può essere aumentato fino a ~1000 m/gm2.

Gli Estesi studi teorici e sperimentali hanno indicato che la presenza di grandi aree specifiche è accompagnata dalla disponibilità dei siti differenti dell'adsorbimento sui nanotubes8. Per esempio, In CNTs ha prodotto usando l'applicazione a spruzzo che chimica assistita catalizzatore l'adsorbimento si presenta soltanto sulla superficie esterna della parete cilindrica curva del CNTs. Ciò è perché il processo di produzione del CNTs facendo uso dei catalizzatori del metallo piombo solitamente ai nanotubes con le estremità chiuse, quindi limitando l'accesso dello spazio interno vuoto del tubo.

Tuttavia, ci sono procedure semplici (trattamenti chimici o termici delicati) che possono rimuovere i cappucci protettivi del MWNTs quindi che presenta la possibilità di un altro sito dell'adsorbimento (dentro il tubo) in MWNTs come come appare schematicamente Figura 1. Similmente, il processo di produzione della larga scala di SWNTs piombo ad impacchettare dello SWNTs. dovuto questo effetto impacchettante, gruppi di SWNT fornisca le varie sedi del legame dell'alta energia (per esempio scanalature, Figura 1.). Che Cosa questo il mezzo è poi che le grandi superfici sono disponibili nel piccolo volume ed in queste superfici può interagire con altre specie o può essere adattato e functionalized.

Figura 1: Le sedi del legame Possibili disponibili per l'adsorbimento su MWNTs (lasciato) e su SWNTs (giusto) affiora.

I propri interessi della ricerca del Nostro gruppo sono diretti nell'utilizzazione dei questi materiali nelle applicazioni differenti relative ad energia ed all'ambiente, in cui le loro alte aree specifiche svolgono un ruolo cruciale. Due di tali applicazioni energetiche sono discussi qui sotto:

  • CNT Ha Basato i Condensatori Elettrochimici del Doppio Livello
  • Supporto del catalizzatore Basato di CNT

CNT Ha Basato i Condensatori Elettrochimici del Doppio Livello

Condensatori Elettrochimici del Doppio Livello (EDLC: Inoltre riferito a come i Condensatori e Ultra-Condensatori Eccellenti) sono preveduti come unità che avranno la capacità di fornitura la densità di alta energia come pure della densità di alto potere9-11. Con le capacità estremamente alte del ciclo di tassa-scarico e di durata della vita EDLC stanno trovando le applicazioni versatili nei militari, nello spazio, nel trasporto, nelle telecomunicazioni e nelle industrie di nanoelectronics.

Un EDLC contiene due zolle porose non reattive (elettrodi o collettori con area specifica estremamente alta), separate da una membrana porosa ed immerse in un elettrolito. I Vari studi hanno indicato l'idoneità di CNTs come elettrodi di EDLC. Tuttavia, l'integrazione adeguata di CNTs con gli elettrodi di collettore in EDLCs è necessaria per la minimizzazione della resistenza globale dell'unità per migliorare la prestazione dei supercapacitors basati CNT. Una strategia per il raggiungimento del questo potrebbe coltivare CNTs direttamente sulle superfici di metallo ed usando come elettrodi di EDLC12 (Figura 2). Gli elettrodi di EDLC con la resistenza di serie equivalente molto bassa (ESR) e le densità di alto potere possono essere ottenuti usando tali approcci.

Figura 2: (a) Resa dell'Artista di EDLC costituito da MWNT stato allineato sviluppata direttamente sui metalli (b) Un tracciato elettrochimico di spettroscopia di impedenza che mostra ESR basso di tali unità di EDLC e (c) voltamograms ciclici rettangolari molto simmetrici e vicini di tali unità che indicano comportamento impressionante di capacità.

Supporto del Catalizzatore Basato di CNT

I Catalizzatori svolgono oggi un ruolo importante nella nostra esistenza. I Catalizzatori sono piccole particelle (~ 10-9 metri, o nanometro) che dovuto i loro beni di superficie unici può migliorare le reazioni chimiche importanti piombo ai prodotti utili. In qualunque genere di trattamento catalitico, i catalizzatori sono dispersi sugli alti materiali di area, conosciuti come il supporto del catalizzatore. Il supporto fornisce la concentrazione meccanica ai catalizzatori oltre a migliora la superficie catalitica specifica ed il miglioramento delle velocità di reazione. CNTs, dovuto le loro alte aree specifiche, beni meccanici come pure termici eccezionali e chimicamente la stabilità può potenzialmente trasformarsi nel materiale della scelta per il supporto del catalizzatore in varie reazioni chimiche catalizzate.

Attualmente stiamo esplorando l'idea di utilizzare CNTs come supporto del catalizzatore nel trattamento della sintesi (FT) di Fischer Tropsch13. La reazione di FT può convertire una miscela di monossido di carbonio e di idrogeno dentro in una vasta gamma diritto di olefine incatenate e ramificate e paraffina ed ossigena (piombo alla produzione dei combustibili sintetici di alta qualità). I Nostri esperimenti della sintesi di FT di preliminare sui catalizzatori di FT di supporto CNT (generalmente cobalto e ferro) indica che la conversione del CO e della H2 ottenuti con il FT CNTs caricato catalizzatore è ordini di grandezza più superiore a quello ottenuto con i catalizzatori convenzionali di FT (Figura 3), indicante che offerta che di CNTs una nuova razza del catalizzatore basato dell'non ossido supporta con la prestazione superiore per la sintesi di FT.

Figura 3: CNT incartano usato come supporto del catalizzatore per la sintesi di FT ed il confronto del rapporto di conversione del Co e della H2

Finora, la ricerca di CNT ha fornito l'eccitazione sostanziale e le possibilità novelle nelle applicazioni di sviluppo basate su nanotecnologia interdisciplinare. L'area della crescita della larga scala di CNTs è calma matura ora e quindi potrebbe essere preveduto che parecchie grandi applicazioni solide del volume emergessero nell'immediato futuro14.

Ringraziamenti

Il Professor Saikat Talapatra riconosce il contributo finanziario fornito dall'Ufficio di Ricerca e sviluppo (ORDA) a SIUC con i fondi start-up della facoltà e una concessione del seme, dal Ministero Del Commercio dell'Illinois E dall'Opportunità Economica attraverso l'Ufficio dello Sviluppo del Carbone e dell'Istituto Pulito del Carbone dell'Illinois e da NSF-ECCS (concessione # 0925682) per l'avanzamento degli alcuni dei temi della ricerca descritti in questo articolo. La ST egualmente vorrebbe ringraziare i suoi collaboratori come pure i suoi membri del gruppo di passato e presente per attivamente la partecipazione agli sforzi di ricerca vari intrapresi nel suo laboratorio.


Riferimenti

  1. P.M. Ajayan, “Nanotubes da carbonio„, Rassegne Chimiche, Volume 99, P1787 (1999).
  2. M.S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, P.Avouris, (Eds.) Carbonio Nanotubes: Sintesi, Struttura, Beni ed Applicazioni, Argomenti in Fisica Applicata 80, New York Springer, (2001).
  3. W.Z. Li, et al. sintesi della Larga scala dei nanotubes stati allineati del carbonio. Scienza 274, 1701-1703 (1996).
  4. M. Terrones et al. Ha Gestito la produzione dei gruppi allineati-nanotube. Natura, 388, 52-55 (1997).
  5. Z.F. Ren, et al. Sintesi di grandi schiere dei nanotubes ben-allineati del carbonio su vetro. Scienza 282, 1105-1107 (1998).
  6. B.Q. Wei, et al. assembly Organizzato dei nanotubes del carbonio. Natura 416, 495-496 (2002).
  7. S. Talapatra, S. Kar, S. Pal, R. Vajtai, L. Ci, P. Victor, M.M. Shaijjumon, S. Kaur, O. Nalamasu e P.m. Ajayan, “Crescita di Carbonio Stato Allineato Nanotubes Nanotecnologia 2, 110-113 della Natura sui Metalli In Serie„ (2006).
  8. A.D. Migone e S. Talapatra, “Studi di Adsorbimento su Carbonio Nanotubes„, Enciclopedia di Nanoscience e Nanotecnologia, 4, ed 749-767. H.S. Nalwa, ASP, U.S.A., (2004).
  9. Burke, A. Ultracapacitors: perché, come e dove è la tecnologia. Giornale delle Alimentazioni 91, 37-50 (2000).
  10. C. Du, J. Yeh e N. Pan “supercapacitors di densità di Alto potere facendo uso degli elettrodi localmente stati allineati del nanotube del carbonio„, Nanotecnologia 16, 350-353 (2005).
  11. R. Scià, X.F. Zhang e S. Talapatra, “Elettrodi Elettrochimici del Condensatore del Doppio Livello facendo uso di Carbonio Stato Allineato Nanotubes Sviluppati Direttamente sui Metalli„, Nanotecnologia 20, 395202 (2009).
  12. R. Scià, X.F. Zhang, X. , S. Kar, S. Talapatra, “Ferrocene ha derivato i nanotubes del carbonio e la loro applicazione come condensatori elettrochimici„ J. Nanosci del doppio livello. Nanotech. 10, 4043-4048 (2010).
  13. Dati Non Pubblicati in collaborazione con Prof. K. Mondal (Servizio dei Trattamenti di Energia e di Ingegneria Meccanica alla Southern Illinois University Carbondale)
  14. M. Endo, M.S. Strano e P.m. Ajayan, “Applicazioni Potenziali di Carbonio Nanotubes„, In Carbonio Nanotubes: Argomenti Avanzati nella Sintesi, nella Struttura, nei Beni e nelle Applicazioni (Argomenti in Fisica Applicata), Difficoltà Jorio (Autore, Editore), Gene Dresselhaus (Editore), Mildred S. Dresselhaus (Editore), prima Edizione, Springer (2008).

Copyright AZoNano.com, il Professor Saikat Talapatra (Southern Illinois University Carbondale)

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

Last Update: 14. June 2013 06:59

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this article?

Leave your feedback
Submit