多機能カーボン Nanotubes - 多機能カーボン Nanotubes の導入そしてアプリケーション

教授によって Saikat Talapatra

Saikat Talapatra の物理学、南 lllinois 大学 Carbondale の部門教授
対応する著者: stalapatra@physics.siu.edu

カーボン Nanotubes

過去数十年間に nano 材料と関連している研究開発に激増がずっとあります。 電子工学から及ぶエネルギーおよび人間工学に機能特定のアプリケーションを提供するこのの中で 1 つの材料、カーボン Nanotubes は魅惑的な構造、また機能の点では、方法を導きました1,2。 カーボン nanotubes は (CNTs)理想的なグラファイトのファイバーのそれの近くの特性とのナノメーター次元の tubules であるカーボンひげとして見ることができます。 特有な構造が原因でそれらは 1 次元 (1D) の問題として考慮することができます。

すなわち、カーボン nanotube は複数のマイクロメートルまでのナノメーターそして長さの等級の直径とのそれ自身に、転送される蜜蜂の巣の格子です。 通常、 CNTs の 2 つの別々の種類はありま複数の graphene シート (マルチ囲まれたカーボン nanotube、 MWNT) または 1 枚のただ graphene シート管がから成っているかどうか依存します (囲まれたカーボン nanotube、 SWNT を選抜して下さい)。 CNTs の詳細な説明のために教授によって M. Endo 記事を参照して下さい。

偽りなく多機能材料

壁の番号に関係なく、 CNTs はいろいろなアプリケーションのために適した一義的な物理的性質を所有している新しい工学材料として想像されます。 そのような特性は大きい機械強さ、エキゾチックな電気特性およびすばらしい化学薬品および熱安定性含んでいます。 具体的には、非常に制御された方法のカーボン nanotubes を育てるための技術の開発 (さまざまな基板の一直線に並べられた CNT アーキテクチャのような)3-7 、また大規模に、真空のマイクロエレクトロニクスのフィールドに CNTs これらの制御されたアーキテクチャを、冷た陰極のフラットパネルディスプレイ適用するための高められた可能性の現在の調査官世界中、フィールド放出装置、縦の相互接続アセンブリ、チップ熱管理、等のガスの故障センサー、生物ろ過。

顕著な構造保全、また化学薬品の安定性から離れて、カーボン nanotubes を実際のところ偽りなく多機能に作る特性はカーボン nanotubes に比表面積領域の点では (正確に) 提供するべきロットがあるという事実です。 CNTs の種類によって比表面積領域は 50 m/gm から複数の何百2もの m/gm まで及ぶかもしれ、2適切な浄化と比表面積領域を ~1000 m/gm まで増加することができます処理します2

広範で理論的な、実験調査は大きい比表面積領域の存在が nanotubes の異なった吸着サイトのアベイラビリティと一緒に伴われることを示しました8。 例えば、 CNTs で作り出しま吸着によってが CNTs の曲げられた円柱壁の GAIMEN にだけ発生する触媒によって助けられた化学気相堆積を使用します。 これは金属の触媒を使用して CNTs の生産プロセスが通常閉じる端が付いている nanotubes の原因となるのでありま、それにより管の空の内部スペースのアクセスを制限します。

ただし、それにより図 1. で図式的に示されているように MWNTs の別の吸着サイトの可能性を (管の中で) 示す MWNTs のエンドキャップを除去できる簡単なプロシージャ (穏やかな化学か熱処置) があります。 同様に、 SWNTs の大規模の生産プロセスは SWNTs の束ねることの原因となります。 この束ねる効果、 SWNT の束が原因でさまざまな高エネルギーの結合サイト (例えば溝、図 1. を) 提供して下さい。 大きい表面は小さいボリュームおよびこれらの表面で使用できること平均がそれからであるこの何を相互に作用することができましたりまたは合い、 functionalized できます他の種と。

図 1: (残された) MWNTs および (右の) SWNTs の吸着のために使用できる可能な結合サイトは浮上します。

私達のグループのエネルギーおよび高い比表面積領域が重大な役割を担う環境と関連している異なったアプリケーションの自身の研究の興味はこれらの材料の利用に指示されます。 そのようなエネルギー関連アプリケーションの 2 つは後で論議されます:

  • CNT は電気化学の二重層のコンデンサーを基づかせていました
  • CNT の塩基触媒サポート

CNT は電気化学の二重層のコンデンサーを基づかせていました

電気化学の二重層のコンデンサー (EDLC: また極度のコンデンサーおよび超コンデンサーとして参照されて) 高エネルギーの密度、また高い発電の密度を提供する機能がある装置として想像されます9-11。 非常に高い寿命および料金排出のサイクルの機能と EDLC は軍隊、スペース、交通機関、テレコミュニケーションおよび nanoelectronics 工業の多目的なアプリケーションを見つけています。

EDLC は多孔性の膜で分かれて、電解物で浸る 2 つの非反応多孔性の版を (非常に高い比表面積領域の電極かコレクター) 含んでいます。 さまざまな調査は EDLC の電極として CNTs の適合性を示しました。 ただし、 EDLCs の集電極を搭載する CNTs の適切な統合は CNT によって基づく supercapacitors のパフォーマンスを高めるために全面的な装置抵抗を最小化するために必要です。 これを達成するための作戦は金属表面の CNTs を直接育て、 EDLC の電極 (図 2) として12 それらを使用できます。 非常に低い同等のシリーズ抵抗および高い発電の (ESR)密度の EDLC の電極はそのようなアプローチの使用によって得ることができます。

図 2: (a) 一直線に並べられた MWNT によって形作られる金属 (b) で直接育つ EDLC の芸術家の演出そのような EDLC 装置の低い ESR を示す電気化学のインピーダンス分光学のプロットおよび (c) 印象的なキャパシタンス動作を明記するそのような装置の非常に対称的で、近い長方形の循環 voltamograms。

CNT の塩基触媒サポート

触媒は私達の存在の重要な役割を今日担います。 触媒は一義的な表面の特性が-9 原因で有用な製品へ導くことが重要な化学反応を高めることができるナノメーター) または小粒子 (~ 10 メートル、です。 あらゆる種類の触媒作用プロセスでは、触媒は触媒サポートとして知られている高い表面積材料で分散します。 サポートは触媒に機械強さをに加えて高めます特定の触媒作用の表面および反応速度を高めることを提供します。 高い比表面積領域、顕著な機械、また熱特性による CNTs はおよび化学的に安定性可能性としてはいろいろ触媒作用を及ぼされた化学反応の触媒サポートのための選択の材料になることができます。

私達は触媒サポートとして現在 Fischer Tropsch の統合プロセスで CNTs を使用する (FT)考えを探索しています13。 FT の反作用はまっすぐに連鎖され、ブランチされたオレフィンの広い範囲に一酸化炭素および水素の混合物を変換でき、パラフィンで処理し、そして酸化しま (良質の合成燃料の生産に導きます)。 CNT によってサポートされる FT の触媒の私達の予備 FT の統合の実験は慣習的な FT の触媒 (非酸化物の塩基触媒の新しい品種が FT の統合のための2 優秀なパフォーマンスとサポートする CNTs の提供ことを示す図 3) と得られるそれより (一般にコバルトおよび鉄) FT 触媒付 CNTs と得られる CO および H の変換が高の一桁であることを示します。

図 3: CNT は Co および H の転換率の FT の統合そして比較のために触媒サポートとして使用されて壁紙を張ります2

これまでは、 CNT の研究は学際的なナノテクノロジーに基づいて成長アプリケーションの相当な興奮および新しい可能性を提供しました。 CNTs の大規模の成長の領域は静か今成熟しますであり、複数の固体大きいボリュームアプリケーションが近い将来に現れることそれ故にそれは期待できます14

確認応答

Saikat Talapatra 教授はこの記事で記述されている研究の主題のいくつかを遂行するために石炭の開発およびイリノイのきれいな石炭の協会のオフィスを通して能力の起動の資金およびシードの許可によって SIUC で研究開発 (ORDA) のオフィスによって、イリノイの商務省および経済的な機会と NSF-ECCS (許可 # 0925682) によって提供される財政援助を認めます。 ST はまた彼の実験室で引き受けられたさまざまな研究活動に実行中に参加に彼の共作者、また彼の過去および現在のグループのメンバーに感謝することを望みます。


参照

  1. P.M. Ajayan、 「カーボンからの Nanotubes」、化学検討、 Vol. 99、 P1787 (1999 年)。
  2. M.S. Dresselhaus、 G. Dresselhaus、 P.Avouris、 (ED。) カーボン Nanotubes: 統合、構造、特性およびアプリケーションの応用物理 80 のニューヨークのスプリンガーのトピック、 (2001 年)。
  3. W.Z. 李の等一直線に並べられたカーボン nanotubes の大規模の統合。 科学 274 1701-1703 (1996 年)。
  4. M. Terrones は等一直線に並べられたnanotube 束の生産を制御しました。 性質、 388、 52-55 (1997 年)。
  5. Z. ガラスの十分一直線に並べられたカーボン nanotubes の大きいアレイの F. Ren の等統合。 科学 282 1105-1107 (1998 年)。
  6. B.Q. 魏の等カーボン nanotubes の整頓されていたアセンブリ。 性質 416、 495-496 (2002 年)。
  7. S. Talapatra、 S. Kar、 S. Pal、 R. Vajtai、 L. Ci、 P. Victor、 M.M. Shaijjumon、 S. Kaur、 O. Nalamasu および P.M. Ajayan、 「バルク金属の一直線に並べられたカーボン Nanotubes の成長」の性質のナノテクノロジー 2、 110-113 (2006 年)。
  8. A.D. Migone および S. Talapatra、 「カーボン Nanotubes の吸着調査」、 Nanoscience の百科事典およびナノテクノロジー、 4 の 749-767 ED。 H.S. Nalwa、非対称多重処理システム、米国、 (2004 年)。
  9. Burke、 A. Ultracapacitors: 、どのように、そしてなぜ技術があるところ。 電力源 91、 37-50 のジャーナル (2000 年)。
  10. 局部的に一直線に並べられたカーボン nanotube の電極を使用して C. DU、 J. Yeh および N. Pan の 「高い発電の密度の supercapacitors」、ナノテクノロジー 16、 350-353 (2005 年)。
  11. R. Shah、 X.F. チャンおよび S. Talapatra 育つ、 「金属で直接」一直線に並べられたカーボン Nanotubes を使用して電気化学の二重層のコンデンサーの電極ナノテクノロジー 20、 395202 (2009 年)。
  12. R. Shah、 X.F. チャン、 X。 、 S. Kar、 S. Talapatra は電気化学の二重層のコンデンサー」 J. Nanosci として、 「Ferrocene カーボン nanotubes およびアプリケーションを得ました。 Nanotech。 10、 4043-4048 (2010 年)。
  13. 教授と共同する K. Mondal (イリノイ南大学 Carbondale の機械工学およびエネルギープロセスの部門) 出版されていないデータ
  14. M. Ajayan、 「カーボン Nanotubes のカーボン Nanotubes の潜在的なアプリケーション」内部、 M.S. Strano および P.M.、: 統合、構造、特性およびアプリケーション (応用物理のトピック) の高度なトピック、騒ぎ Jorio (著者、エディター)、遺伝子 Dresselhaus (エディター)、 Mildred S. Dresselhaus (エディター)、第 1 版、スプリンガー (2008 年)。

、版権 AZoNano.com Saikat Talapatra (イリノイ南大学 Carbondale) 教授

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

Last Update: 14. June 2013 07:02

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