Carbono Multifuncional Nanotubes - Introdução e Aplicações do Carbono Multifuncional Nanotubes

pelo Professor Saikat Talapatra

Professor Saikat Talapatra, Departamento de Física, Universidade Do Sul Carbondale dos lllinois
Autor Correspondente: stalapatra@physics.siu.edu

Carbono Nanotubes

Sobre as várias décadas passadas houve um crescimento explosivo na investigação e desenvolvimento relativa aos materiais nano. Entre estes um material, carbono Nanotubes, conduziu a maneira em termos de sua estrutura fascinante assim como de sua capacidade fornecer as aplicações função-específicas que variam da eletrônica, à energia e à biotecnologia1,2. Os nanotubes do Carbono (CNTs) podem ser vistos como as suiças do carbono, que são tubules de dimensões do nanômetro com propriedades perto daquela de uma fibra ideal da grafite. Devido a suas estruturas distintivas podem ser considerados como a matéria na um-dimensão (1D).

Ou seja um nanotube do carbono é uma estrutura do favo de mel rolada sobre a se, com diâmetros do pedido dos nanômetros e dos comprimentos até de diversos micrômetros. Geralmente, dois tipos distintos de CNTs existem dependendo de se as câmaras de ar estão feitas mais de uma folha do graphene (multi nanotube murado do carbono, MWNT) ou somente uma folha do graphene (escolha o nanotube murado do carbono, SWNT). Para uma descrição detalhada em CNTs refira por favor o artigo pelo Prof. M. Endo.

Um Material Verdadeiramente Multifuncional

Independentemente do número de paredes, CNTs é previsto como os materiais de engenharia novos que possuem as propriedades físicas originais apropriadas para uma variedade de aplicações. Tais propriedades incluem a grande força mecânica, características elétricas exóticas e a estabilidade magnífica do produto químico e a térmica. Especificamente, a revelação das técnicas para crescer nanotubes do carbono em uma forma muito controlada (tal como arquiteturas alinhadas de CNT em várias carcaças)3-7 assim como em grande escala, investigador dos presentes pelo mundo inteiro com possibilidades aumentadas para aplicar estas arquiteturas controladas de CNTs aos campos de microeletrônica do Vácuo, ecrãs planos do Frio-Cátodo, de emissão de Campo dispositivos, conjuntos Verticais da interconexão, de divisão do Gás sensores, Bio Filtragem, Na gestão térmica da microplaqueta, Etc.

Independentemente de sua estabilidade estrutural proeminente da integridade assim como do produto químico, a propriedade que faz nanotubes do carbono verdadeiramente multifuncionais na natureza é o facto de que os nanotubes do carbono têm o lote a oferecer (literalmente) em termos da área de superfície específica. Segundo o tipo de CNTs as áreas de superfície específicas podem variar de 50 m/gm2 a diversas centenas de m/gm2 e com purificação apropriada processa as áreas de superfície específicas pode ser aumentado até ~1000 m/gm2.

Os estudos teóricos e experimentais Extensivos mostraram que a presença de grandes áreas de superfície específicas está acompanhada da disponibilidade de locais diferentes da adsorção nos nanotubes8. Por exemplo, Em CNTs produziu usando o depósito que de vapor químico ajudado catalizador a adsorção ocorre somente na superfície exterior da parede cilíndrica curvada do CNTs. Isto é porque o processo de produção do CNTs que usa catalizadores do metal conduz geralmente aos nanotubes com extremidades fechados, desse modo restringindo o acesso do espaço interior oco da câmara de ar.

Contudo, há os procedimentos simples (tratamentos químicos ou térmicos suaves) que podem remover os tampões de extremidade do MWNTs que apresenta desse modo a possibilidade de um outro local da adsorção (dentro da câmara de ar) em MWNTs como mostrado esquematicamente em Figura 1. Similarmente, o processo de produção da grande escala de SWNTs conduz ao empacotamento do SWNTs. Devido a este efeito de empacotamento, pacotes de SWNT forneça locais obrigatórios do vário de alta energia (por exemplo sulcos, Figura 1.). O Que este os meios são então que as grandes superfícies estão disponíveis no volume pequeno e nas estas superfícies podem interagir com a outra espécie ou podem ser costuradas e functionalized.

Figura 1: Os locais obrigatórios Possíveis disponíveis para a adsorção em MWNTs (deixado) e em SWNTs (direito) surgem.

Interesses da pesquisa do Nosso grupo próprios são dirigidos em utilizar estes materiais nas aplicações diferentes relativas à energia e ao ambiente, onde suas áreas de superfícies específicas altas jogam um papel crucial. Dois de tal energia - as aplicações relacionadas são discutidas abaixo:

  • CNT Baseou Capacitores Eletroquímicos da Dupla Camada
  • Apoio do catalizador Baseado de CNT

CNT Baseou Capacitores Eletroquímicos da Dupla Camada

Capacitores Eletroquímicos da Dupla Camada (EDLC: Igualmente referido como Capacitores Super e Ultra-Capacitores) são previstos como os dispositivos que terão a capacidade de fornecer a densidade de alta energia assim como a densidade de poder superior9-11. Com capacidades extremamente altas do tempo e do ciclo da carga-descarga EDLC estão encontrando aplicações versáteis nas forças armadas, no espaço, no transporte, nas telecomunicações e nas indústrias do nanoelectronics.

Um EDLC contem duas placas porosas não reactivas (os eléctrodos ou os colectores com área de superfície específica extremamente alta), separadas por uma membrana porosa e imergidas em um eletrólito. Os Vários estudos mostraram a conformidade de CNTs como os eléctrodos de EDLC. Contudo, a integração apropriada de CNTs com os eléctrodos de colector em EDLCs é necessário para minimizar a resistência total do dispositivo a fim aumentar o desempenho de supercapacitors baseados CNT. Uma estratégia para conseguir isto poderia crescer CNTs directamente em superfícies de metal e usá-las como os eléctrodos de EDLC12 (Figura 2). Os eléctrodos de EDLC com resistência de série equivalente muito baixa (ESR) e as densidades de poder superior podem ser obtidos usando tais aproximações.

Figura 2: (a) Capitulação do Artista de EDLC formado por MWNT alinhado crescida directamente nos metais (b) Um lote eletroquímico da espectroscopia da impedância que mostra o baixo ESR de tais dispositivos de EDLC e (c) voltamograms cíclicos retangulares muito simétricos e próximos de tais dispositivos que indicam o comportamento impressionante da capacidade.

Apoio do Catalizador Baseado de CNT

Os Catalizadores jogam um papel importante em nossa existência hoje. Os Catalizadores são as partículas pequenas (~ 10-9 medidores, ou o nanômetro) que devido a suas propriedades de superfície originais pode aumentar reacções químicas importantes conduzir aos produtos úteis. Em qualquer tipo do processo catalítico, os catalizadores são dispersados nos materiais altos da área de superfície, conhecidos como o apoio do catalizador. O apoio fornece a força mecânica aos catalizadores além do que aumenta a superfície catalítica específica e a aumentação das taxas de reacção. CNTs, devido a suas áreas de superfície específicas altas, propriedades mecânicas assim como térmicas proeminentes e quimicamente estabilidade pode potencial transformar-se o material da escolha para o apoio do catalizador em uma variedade de reacções químicas catalisadas.

Nós estamos explorando presentemente a ideia de usar CNTs como o apoio do catalizador no processo da síntese (FT) de Fischer Tropsch13. A reacção do FT pode converter uma mistura do monóxido e do hidrogênio de carbono dentro a uma vasta gama de olefins em linha recta acorrentados e ramificados e parafina e oxigena (conduzindo à produção dos combustíveis sintéticos de alta qualidade). Nossas experiências preliminares da síntese do FT em catalizadores apoiados CNT do FT (geralmente cobalto e ferro) mostram que a conversão do CO e do H2 obtidos com FT CNTs carregado catalizador é ordens de grandeza mais altamente do que aquele obtido com os catalizadores convencionais do FT (Figura 3), indicando que oferta que de CNTs uma raça nova do catalizador baseado do não-óxido apoia com desempenho superior para a síntese do FT.

Figura 3: CNT forram usado como o apoio do catalizador para a síntese do FT e a comparação da relação de conversão do Co e do H2

Até agora, a pesquisa de CNT forneceu o excitamento substancial, e possibilidades novas nas aplicações tornando-se baseadas na nanotecnologia interdisciplinar. A área do crescimento da grande escala de CNTs é quieta amadurece-se agora e daqui poder-se-ia esperar que diversas aplicações de grande volume contínuas emergirão em um futuro próximo14.

Reconhecimentos

O Professor Saikat Talapatra reconhece o suporte financeiro fornecido pelo Escritório da Investigação e Desenvolvimento (ORDA) em SIUC com os fundos start-up da faculdade e uma concessão da semente, pelo Ministério de Illinois de Comércio e pela Oportunidade Econômica através do Escritório da Revelação de Carvão e do Instituto Limpo de Carvão de Illinois e por NSF-ECCS (concessão # 0925682) realizando alguns dos temas da pesquisa descritos neste artigo. O ST igualmente gostaria de agradecer a seus colaboradores assim como a seus membros passados e do presente do grupo para activamente participar nos vários esforços de pesquisa empreendidos em seu laboratório.


Referências

  1. P.M. Ajayan, “Nanotubes do carbono”, Revisões Químicas, Vol. 99, P1787 (1999).
  2. M.S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, P.Avouris, (Eds.) Carbono Nanotubes: Síntese, Estrutura, Propriedades e Aplicações, Assuntos na Física Aplicada 80, New York Springer, (2001).
  3. W.Z. Li, e outros síntese da Grande escala de nanotubes alinhados do carbono. Ciência 274, 1701-1703 (1996).
  4. M. Terrones Controlou e outros a produção de pacotes alinhados-nanotube. Natureza, 388, 52-55 (1997).
  5. Z.F. Ren, e outros Síntese de grandes disposições de nanotubes bem-alinhados do carbono no vidro. Ciência 282, 1105-1107 (1998).
  6. B.Q. Wei, e outros conjunto Organizado de nanotubes do carbono. Natureza 416, 495-496 (2002).
  7. S. Talapatra, S. Kar, S. Amigo, R. Vajtai, L. Ci, P. Vencedor, M.M. Shaijjumon, S. Kaur, O. Nalamasu e P.M. Ajayan, “Crescimento do Carbono Alinhado Nanotubes Nanotecnologia 2 da Natureza nos Metais Maiorias”, 110-113 (2006).
  8. A.D. Migone e S. Talapatra, da “Estudos Adsorção no Carbono Nanotubes”, Enciclopédia de Nanoscience e Nanotecnologia, 4, ed 749-767. H.S. Nalwa, ASP, EUA, (2004).
  9. Burke, A. Ultracapacitors: porque, como, e onde está a tecnologia. Jornal das Fontes de Energia 91, 37-50 (2000).
  10. C. Du, J. Yeh e N. Bandeja de “supercapacitors da densidade Poder superior usando os eléctrodos localmente alinhados do nanotube do carbono”, Nanotecnologia 16, 350-353 (2005).
  11. R. Xá, X.F. Zhang e S. Talapatra, “Eléctrodos Eletroquímicos do Capacitor da Dupla Camada usando o Carbono Alinhado Nanotubes Crescido Directamente em Metais”, Nanotecnologia 20, 395202 (2009).
  12. R. Xá, X.F. Zhang, X. , S. Kar, S. Talapatra, “Ferrocene derivou nanotubes do carbono e sua aplicação como capacitores eletroquímicos” J. Nanosci da dupla camada. Nanotech. 10, 4043-4048 (2010).
  13. Dados Não-publicados em colaboração com o Prof. K. Mondal (Serviço de Processos da Engenharia Mecânica e da Energia na Universidade Do Sul Carbondale de Illinois)
  14. M. Endo, M.S. Strano e P.M. Ajayan, “Aplicações Potenciais do Carbono Nanotubes”, No Carbono Nanotubes: Assuntos Avançados na Síntese, na Estrutura, nas Propriedades e nas Aplicações (Assuntos em Física Aplicada), Demora Jorio (Autor, Editor), Gene Dresselhaus (Editor), Mildred S. Dresselhaus (Editor), ?a Edição, Springer (2008).

Copyright AZoNano.com, Professor Saikat Talapatra (Universidade Do Sul Carbondale de Illinois)

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

Last Update: 14. June 2013 07:14

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