Multifunctionele Koolstof Nanotubes - Inleiding en Toepassingen van Multifunctionele Koolstof Nanotubes

door Professor Saikat Talapatra

Professor Saikat Talapatra, Afdeling van Fysica, Zuidelijke lllinois Universitaire Carbondale
Overeenkomstige auteur: stalapatra@physics.siu.edu

Koolstof Nanotubes

In De Loop Van de afgelopen verscheidene decennia is er de explosieve groei in onderzoek en ontwikkeling met betrekking tot nano materialen geweest. Onder deze heeft één materiaal, koolstof Nanotubes, de manier in termen van zijn fascinerende structuur evenals zijn capaciteit om functie-specifieke toepassingen geleid te verstrekken die zich van elektronika, aan energie en biotechnologie uitstrekken1,2. De Koolstof nanotubes (CNTs) kan als koolstofbakkebaarden worden bekeken, die buisjes van nanometerafmetingen met eigenschappen dicht bij dat van een ideale grafietvezel zijn. wegens hun distinctieve structuren kunnen zij als kwestie in één-afmeting (1D) worden beschouwd.

Met andere woorden die, is een koolstof nanotube een honingraatrooster op zich, met diameters van de orde van nanometers en lengten van tot verscheidene micrometers wordt gerold. Over Het Algemeen, bestaan er twee verschillende soorten CNTs het afhangen of de buizen van meer dan één grapheneblad worden gemaakt (multi ommuurde koolstof nanotube, MWNT) of slechts één grapheneblad (kies ommuurde koolstof nanotube, SWNT) uit. Voor een detaillering op CNTs gelieve te verwijzen naar het artikel door Prof. M. Endo.

Een Echt Multifunctioneel Materiaal

Ongeacht het aantal muren, wordt CNTs voorzien als nieuwe techniekmaterialen die unieke fysische eigenschappen geschikt voor een verscheidenheid van toepassingen bezitten. Dergelijke eigenschappen omvatten grote mechanische sterkte, exotische elektrokenmerken en buitengewone chemische en thermische stabiliteit. Specifiek, de ontwikkeling van technieken om koolstof nanotubes op een zeer gecontroleerde manier (zoals gerichte architectuur CNT op diverse substraten) evenals3-7 op grote schaal te kweken, onderzoekers helemaal over de wereld met verbeterde mogelijkheden stelt om deze gecontroleerde architectuur CNTs op de gebieden van Vacuümmicro-elektronica voor toe te passen, het vlakke paneelvertoningen van de koud-Kathode, de emissieapparaten van het Gebied, verbindt de Verticaal assemblage, de analysesensoren van het Gas, BioFiltratie, Bij het spaander thermische beheer onderling, enz.

Behalve hun opmerkelijke structurele integriteit evenals chemische stabiliteit, het bezit dat koolstof nanotubes echt in aard multifunctioneel maakt is het feit dat de koolstof nanotubes partij (letterlijk) in termen van specifieke oppervlakte aan te bieden heeft. Afhankelijk van het type van CNTs kunnen zich de specifieke oppervlakten van 50 m/gm aan2 verscheidene honderden m/gm uitstrekken2 en met aangewezen reiniging verwerkt de specifieke oppervlakten kan tot ~1000 m/gm zijn gestegen2.

De Uitgebreide theoretische en experimentele studies hebben aangetoond dat de aanwezigheid van grote specifieke oppervlakten van de beschikbaarheid van verschillende adsorptieplaatsen op nanotubes vergezeld gaat8. Bijvoorbeeld, In geproduceerde CNTs gebruikend katalysator bijgestaan chemische dampdeposito komt de adsorptie slechts op de buitenoppervlakte van de gebogen cilindrische muur van CNTs voor. Dit is omdat het productieproces van CNTs die metaalkatalysators gebruikt gewoonlijk tot nanotubes met gesloten einden leidt, daardoor beperkend de toegang van de holle binnenlandse ruimte van de buis.

Nochtans, zijn er eenvoudige procedures (milde chemische of thermische behandelingen) die de eindkappen van MWNTs kunnen verwijderen daardoor voorstellend de mogelijkheid van een andere adsorptieplaats (binnen de buis) in MWNTs zoals die schematisch in Figuur 1 wordt getoond. Op Dezelfde Manier leidt het proces van de grote schaalproductie van SWNTs tot het bundelen van SWNTs. wegens dit het bundelen verstrekken het effect, de bundels SWNT diverse plaatsen van de hoge energieband (bijvoorbeeld groeven, Figuur 1.). Wat dit betekent is toen dat de grote oppervlakten in klein volume beschikbaar zijn en deze oppervlakten met andere species kunnen in wisselwerking staan of kunnen worden gemaakt en functionalized.

Figuur 1: Mogelijke bandplaatsen beschikbaar voor adsorptie op (oppervlakten verlaten) MWNTs en (juiste) SWNTs.

Worden de eigen het onderzoekbelangen van Onze groep geleid in het gebruiken van deze materialen in verschillende toepassingen met betrekking tot energie en het milieu, waar hun hoge specifieke oppervlakten een essentiële rol spelen. Twee van dergelijke toepassingen worden in verband met energie besproken hieronder:

  • CNT Baseerde de Elektrochemische Dubbele Condensatoren van de Laag
  • CNT Gebaseerde katalysatorsteun

CNT Baseerde de Elektrochemische Dubbele Condensatoren van de Laag

De Elektrochemische Dubbele Condensatoren van de Laag (EDLC: Ook bedoeld als Super Condensatoren en ultra-Condensatoren) worden voorzien als apparaten die het vermogen van het verstrekken van hoge energiedichtheid evenals hoge machtsdichtheid zullen hebben9-11. Met uiterst hoge levensduur en last-lossing cyclusmogelijkheden vinden EDLC veelzijdige toepassingen in de militaire, ruimte, vervoers, telecommunicatie en nanoelectronicsindustrieën.

Een EDLC bevat twee niet reactieve poreuze platen (elektroden of collectoren met uiterst hoge specifieke die oppervlakte), door een poreus die membraan wordt gescheiden en in een elektrolyt wordt ondergedompeld. Diverse studies hebben de geschiktheid van CNTs als elektroden EDLC getoond. Nochtans, is de juiste integratie van CNTs met collectorelektroden in EDLCs nodig voor het minimaliseren van de algemene apparatenweerstand om de prestaties van CNT gebaseerde supercapacitors te verbeteren. Een strategie om dit zou te bereiken kunnen CNTs op metaaloppervlakten direct kweken en gebruikend hen als elektroden EDLC12 (Figuur 2). De elektroden EDLC met zeer lage gelijkwaardige reeksweerstand (ESR) en hoge machtsdichtheid kunnen worden verkregen door dergelijke benaderingen te gebruiken.

Figuur 2: (a) die de vertolking van de Kunstenaar van EDLC door gerichte die MWNT wordt op metalen (b) een elektrochemisch perceel direct wordt gekweekt gevormd dat van de impedantiespectroscopie lage ESR van dergelijke apparaten EDLC toont en (c) zeer symmetrische en dichtbijgelegen rechthoekige cyclische voltamograms van dergelijke apparaten die op indrukwekkend capacitieve weerstandsgedrag wijzen.

De CNT Gebaseerde Steun van de Katalysator

De Katalysators spelen een belangrijke rol vandaag onze bestaand. De Katalysators zijn kleine deeltjes (~ 10-9 meter, of nanometer) die wegens hun unieke oppervlakte de eigenschappen kunnen belangrijke chemische reacties verbeteren die tot nuttige producten leiden. In om het even welk soort katalytisch proces, zijn de katalysators verspreid op hoge die oppervlaktematerialen, als de katalysatorsteun worden bekend. De steun verstrekt de mechanische sterkte aan de katalysators naast de specifieke katalytische oppervlakte en het verbeteren van de reactietarieven verbetert. CNTs, wegens hun hoge specifieke oppervlakten, opmerkelijke mechanische evenals thermische eigenschappen en chemisch stabiliteit kan potentieel het materiaal van keus voor katalysatorsteun in een verscheidenheid van gekatalyseerde chemische reacties worden.

Wij weldra onderzoeken het idee van het gebruiken van CNTs als katalysatorsteun in het de syntheseprocédé (FT) van Fischer Tropsch13. De reactie van VOET kan een mengsel van koolmonoxide en waterstof binnen in een brede waaier van rechte geketend omzetten en vertakte zich olefins en paraffine en oxydeert (leidend tot de productie van hoogte - kwaliteits synthetische brandstoffen). Onze inleidende de syntheseexperimenten van VOET op de CNT gesteunde die katalysators van VOET (over het algemeen kobalt en ijzer) toont aan dat de omzetting van CO en H2 met VOET katalysator geladen CNTs wordt verkregen grootteordes hoger dan dat verkregen met de conventionele katalysators is van VOET (Figuur 3), erop wijzend dat CNTs een nieuw ras van niet gebaseerde katalysatorsteunen met superieure prestaties voor de synthese van VOET aanbiedt.

Figuur 3: Cnt- document als katalysatorsteun wordt gebruikt voor de synthese van VOET en vergelijking van omzettingsverhouding van Co en H dat2

Tot dusver, heeft het onderzoek CNT wezenlijke opwinding verstrekt, en de nieuwe mogelijkheden in het ontwikkelen van toepassingen baseerden op interdisciplinaire nanotechnologie. Het gebied van de grote schaalgroei van CNTs is stil nu rijpt en vandaar zou men kunnen verwachten dat verscheidene stevige grote volumetoepassingen in de nabije toekomst te voorschijn zullen komen14.

Erkenning

Professor Saikat Talapatra erkent de financiële die steun door het Bureau van Onderzoek en Ontwikkeling (ORDA) wordt verleend bij SIUC door faculteits startfondsen en een zaadtoelage, door het Ministerie van Illinois van Handel en Economische Kans door het Bureau van de Ontwikkeling van de Steenkool en het Instituut van de Steenkool van Illinois Schone en door NSF-ECCS (toelage # 0925682) voor het uitvoeren van enkele die onderzoekthema's in dit artikel worden beschreven. ST zou ook zijn medewerkers evenals zijn afgelopen en huidige groepsleden voor actief het deelnemen aan diverse die onderzoeksinspanningen willen danken in zijn laboratorium worden geleverd.


Verwijzingen

  1. P.M. Ajayan, „Nanotubes van koolstof“, Chemische Overzichten, volume 99, P1787 (1999).
  2. M.S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, P.Avouris, (Eds.) Koolstof Nanotubes: Synthese, Structuur, Eigenschappen en Toepassingen, Onderwerpen in Toegepaste Fysica 80, de Aanzetsteen van New York, (2001).
  3. W.Z. Li, et al. Grote schaalsynthese van gerichte koolstof nanotubes. Wetenschap 274, 1701-1703 (1996).
  4. M. Terrones et al. Gecontroleerde productie van gerichte -richten-nanotube bundels. Aard, 388, 52-55 (1997).
  5. Z.F. Ren, et al. Synthese van grote series van goed-gerichte koolstof nanotubes op glas. Wetenschap 282, 1105-1107 (1998).
  6. B.Q. Wei, et al. Georganiseerde assemblage van koolstof nanotubes. Aard 416, 495-496 (2002).
  7. S. Talapatra, S. Kar, S. Pal, R. Vajtai, L. Ci, P. Victor, M.M. Shaijjumon, S. Kaur, O. Nalamasu en P.M. Ajayan, de „Groei Nanotechnologie 2, 110-113 van de Aard van van Gerichte Nanotubes van de Koolstof op BulkMetalen“ (2006).
  8. A.D. Migone en S. Talapatra, de „Studies van de Adsorptie over Koolstof Nanotubes“, Encyclopedie van Nanoscience en Nanotechnologie, 4, 749-767 E-D. H.S. Nalwa, ASPIS, de V.S., (2004).
  9. Burke, A. Ultracapacitors: waarom, hoe, en waar is de technologie. Dagboek van Krachtbronnen 91, 37-50 (2000).
  10. C. Du, J. Yeh en Hoge machtsdichtheid van N. Pan supercapacitors van de de „gebruikend plaatselijk gerichte koolstof nanotube elektroden“, Nanotechnologie 16, 350-353 (2005).
  11. R. Sjah, X.F. Zhang en S. Talapatra, de „Elektrochemische Dubbele Elektroden die van de Condensator van de Laag Gerichte die Koolstof Nanotubes gebruiken Direct op Metalen“ wordt Gekweekt, Nanotechnologie 20, 395202 (2009).
  12. R. Sjah, X.F. Zhang, X. , S. leidde Kar, S. Talapatra, „Ferrocene koolstof nanotubes en hun toepassing als elektrochemische dubbele laagcondensatoren“ af J. Nanosci. Nanotech. 10, 4043-4048 (2010).
  13. Ongepubliceerde gegevens in samenwerking met Prof. K. Mondal (Dienst van de Processen van de Werktuigbouw en van de Energie in Zuidelijk Illinois Universitaire Carbondale)
  14. M. Endo, M.S. Strano en P.M. Ajayan, „Potentiële Toepassingen van Koolstof Nanotubes“, In Koolstof Nanotubes: Geavanceerde Onderwerpen in de Synthese, de Structuur, de Eigenschappen en de Toepassingen (Onderwerpen in Toegepaste Fysica), Drukte Jorio (Auteur, Redacteur), Gen Dresselhaus (Redacteur), Mildred S. Dresselhaus (Redacteur), 1st Uitgave, Aanzetsteen (2008).

Copyright AZoNano.com, Professor Saikat Talapatra (Zuidelijk Illinois Universitaire Carbondale)

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

Last Update: 14. June 2013 06:50

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