Многофункциональный Углерод Nanotubes - Введение и Применения Многофункционального Углерода Nanotubes

Профессором Saikat Talapatra

Профессор Saikat Talapatra, Отдел Физики, Южного Университета Carbondale lllinois
Соответствуя автор: stalapatra@physics.siu.edu

Углерод Nanotubes

Над прошлым несколько десятилетий резкий рост в научных исследованиях и разработки отнесенных к nano материалам. Среди этих один материал, углерод Nanotubes, водил путь оперируя понятиями своей завораживающей структуры так же, как своей способности снабдить функци-специфические применения колебаясь от электроники, энергия и биотехнология1,2. Nanotubes Углерода (CNTs) можно осмотреть как вискеры углерода, которые tubules размеров нанометра с свойствами близко к тому из идеально волокна графита. Должно к их своеобразнейшим структурам их можно рассматривать как дело в одн-размере (1D).

Иначе говоря, nanotube углерода решетка сота свернутая дальше к себе, с диаметрами заказа нанометров и длин до нескольких микрометров. Вообще, 2 определенных типа CNTs существуют зависящ сделаны ли пробки больше чем один лист graphene (multi огороженное nanotube углерода, MWNT) или только один лист graphene (определите огороженное nanotube углерода, SWNT). Для детального описания на CNTs пожалуйста см. статья Prof. M. Endo.

Поистине Многофункциональный Материал

Независимо от числа стен, CNTs envisioned как новые машиностроительные материалы которые обладают уникально физическими свойствами соответствующими для разнообразие применений. Такие свойства включают большую механически прочность, экзотические электрические характеристики и превосходную стабилность химиката и термальных. Специфически, развитие методов для расти nanotubes углерода в очень контролируемом способе (как выровнянные зодчеств CNT на различных субстратах)3-7 так же, как на большом диапазоне, исследователи настоящих моментов во всем мире с увеличенными возможностями для прикладывать эти контролируемые зодчеств CNTs к полям микроэлектроник Вакуума, плоские экраны Холодн-Катода, излучение Поля приборы, Вертикальные агрегаты соединения, нервное расстройство Газа датчики, Био Фильтрация, На управлении обломока термальном, Etc.

Отдельно от их выдающих структурных герметичности так же, как химической стойкости, свойство которое делает nanotubes углерода поистине многофункциональным в природе факт что nanotubes углерода имеют серию, котор нужно предложить (в буквальном смысле слова) оперируя понятиями удельной поверхности. В зависимости от типа CNTs удельные поверхности могут заколебаться от 50 m/gm2 к нескольким сотни m/gm2 и с соотвествующими процессами очищения удельные поверхности можно увеличить до ~1000 m/gm2.

Обширные теоретические и экспириментально изучения показывали что присутсвие больших удельных поверхностей сопровожено наличием различных мест адсорбцией на nanotubes8. Например, В CNTs произвел использующ помогать катализатором низложение химического пара адсорбция происходит только на наружной поверхности изогнутой цилиндрической стены CNTs. Это потому что производственный процесс CNTs используя катализаторы металла обычно водит к nanotubes с закрытыми концами, таким образом ограничивающ доступ полого нутряного космоса пробки.

Однако, простые процедуры (слабые химические или термальные обработки) которые могут извлечь крышки конца MWNTs таким образом представляя возможность другого места адсорбцией (внутри пробки) в MWNTs как схематически показано в Диаграмме 1. Подобно, производственный процесс крупносерийного производства SWNTs водит к связывать SWNTs. Должно к этому связывая влиянию, пачкам SWNT обеспечьте связующие сайты различной высокой энергии (например пазы, Диаграмму 1.). Что это середины после этого что большие поверхности доступны в малом томе и этих поверхностях может взаимодействовать с другим видом или может быть портняжничано и functionalized.

Диаграмма 1: Возможные связующие сайты доступные для адсорбции на (выйденном) MWNTs и (правом) SWNTs отделывают поверхность.

Интересы исследования Нашей группы собственные направлены в использовать эти материалы в различных применениях отнесенных к энергии и окружающей среде, где их высокие зоны специфических поверхностей играют критическую роль. 2 из такой энергии - родственные применения обсужены ниже:

  • CNT Основало Электрохимические Конденсаторы Двойного Слоя
  • Поддержка Основанного катализатора CNT

CNT Основало Электрохимические Конденсаторы Двойного Слоя

Электрохимические Конденсаторы Двойного Слоя (EDLC: Также названо Супер Конденсаторы и Ультра-Конденсаторы) envisioned как приборы которые будут иметь возможность обеспечивать плотность высокой энергии так же, как плотность наивысшей мощности9-11. С весьма высокими возможностями жизненного периода и цикла обязанност-разрядки EDLC находят разносторонние применения в воисках, космосе, перевозке, радиосвязях и индустриях nanoelectronics.

EDLC содержит 2 non реактивных пористых плиты (электроды или сборники с весьма высокой удельной поверхностью), отделенной пористой мембраной и погруженной в электролите. Различные изучения показывали пригодность CNTs как электроды EDLC. Однако, правильное внедрение CNTs с электродами сборника в EDLCs необходимо для уменьшать общее сопротивление прибора для того чтобы увеличить представление supercapacitors основанных CNT. Стратегия для достигать этого смогла расти CNTs сразу на поверхностях металла и использовать их как электроды EDLC12 (Диаграмма 2). Электроды EDLC с очень низкими соответствующими плотностями сопротивления (ESR) и наивысшей мощности серии могут быть получены путем использование таких подходов.

Диаграмма 2: (a) Толкование Художника EDLC сформированного выровнянным MWNT, котор росли сразу на металлах (b) Электрохимический график спектроскопии импеданса показывая низкий ESR таких приборов EDLC и (c) очень симметричных и близко прямоугольных цикловых voltamograms таких приборов показывая импрессивное поведение емкости.

Поддержка Основанного Катализатора CNT

Катализаторы играют важную роль в нашем существовании сегодня. Катализаторы малые частицы (~ 10-9 метров, или нанометр) которым должно к их уникально поверхностным свойствам может увеличить важные химические реакции ведение к полезным продуктам. В любом виде каталитического процесса, катализаторы разметаны на высоких материалах поверхностной области, известных как поддержка катализатора. Поддержка снабубежит механически прочность катализаторы в дополнение к увеличивает специфическую каталитическую поверхность и увеличивать тарифы реакции. CNTs, должное к их высоким удельным поверхностям, выдающим механически так же, как термальным свойствам и химически стабилность может потенциально стать материалом выбора для поддержки катализатора в разнообразие катализированных химических реакциях.

Мы в настоящее время исследуем идею использования CNTs как поддержка катализатора в процессе синтеза (FT) Фишера Tropsch13. Реакция FT может преобразовать смесь окиси углерода и водопода внутри к широкому диапазону прямо прикованных и разветвлянных олефинов и парафинирует и оксигенирует (водящ к продукции высокомарочных синтетических топлив). Наши предварительные эксперименты по синтеза FT на поддержанных CNT катализаторах FT (вообще кобальт и утюг) показывают что преобразование CO и H2 полученных с FT CNTs нагруженным катализатором порядки величины более высоко чем то полученное с обычными катализаторами FT (Диаграммой 3), показывая что предложение CNTs новая порода катализатора non-окиси основанного поддерживает с главным представлением для синтеза FT.

Диаграмма 3: CNT завертывают в бумагу использовано как поддержка катализатора для синтеза FT и сравнения конверсионного отношения Co и H2

До тех пор, исследование CNT обеспечивало существенное ободрение, и романные возможности в превращаясь применениях основанных на междисциплинарной нанотехнологии. Зона роста большого диапазона CNTs тиха зреет теперь и следовательно она смогла быть предположена что несколько твердых больших применений тома вытекут в ближайшее время14.

Подтверждения

Профессор Saikat Talapatra подтверждает финансовую поддержку обеспеченную Офисом Научных Исследований и Разработки (ORDA) на SIUC через фонды факультета start-up и дар семени, Министерством Торговли Иллиноис и Хозяйственной Возможностью через Офис Развития Угля и Института Угля Иллиноис Чистого и NSF-ECCS (даром # 0925682) для уносить некоторые из тем исследования описанных в настоящей статье. ST также хотел был бы возблагодарить его сотрудниц так же, как его членов группы прошлого и настоящего для активно участвовать в различных усилиях исследования предпринятых в его лаборатории.


Справки

  1. P.M. Ajayan, «Nanotubes от углерода», Химические Просмотрения, VOL. 99, P1787 (1999).
  2. M.S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, P.Avouris, (Eds.) Углерод Nanotubes: Синтез, Структура, Свойства и Применения, Темы в Прикладной Физике 80, Спрингер Нью Йорка, (2001).
  3. W.Z. Li, et синтез Большого диапазона al. выровнянных nanotubes углерода. Наука 274, 1701-1703 (1996).
  4. M. Terrones et Контролируемая продукция al. выровнянных-nanotube пачек. Природа, 388, 52-55 (1997).
  5. Z.F. Ren, et Синтез al. больших блоков хорошо-выровнянных nanotubes углерода на стекле. Наука 282, 1105-1107 (1998).
  6. B.Q. Вэй, et al. Организовали агрегат nanotubes углерода. Природа 416, 495-496 (2002).
  7. S. Talapatra, S. Kar, S. Приятель, R. Vajtai, L. Ci, P. Виктор, M.M. Shaijjumon, S. Kaur, O. Nalamasu и P.M. Ajayan, «Рост Выровнянного Углерода Nanotubes на Нанотехнология 2 Природы Навальных Металлах», 110-113 (2006).
  8. A.D. Migone и S. Talapatra, «Изучения Адсорбцией на Углероде Nanotubes», Энциклопедия Nanoscience и Нанотехнология, 4, ed 749-767. H.S. Nalwa, ASP, США, (2004).
  9. Burke, A. Ultracapacitors: почему, как, и где технология. Журнал Источников Питания 91, 37-50 (2000).
  10. C. Du, J. Yeh и N. Лоток «supercapacitors плотности Наивысшей мощности используя по месту выровнянные электроды nanotube углерода», Нанотехнология 16, 350-353 (2005).
  11. R. Shah, X.F. Zhang и S. Talapatra, «Электрохимические Электроды Конденсатора Двойного Слоя используя Выровнянный Углерод Nanotubes, котор Росли Сразу на Металлах», Нанотехнология 20, 395202 (2009).
  12. R. Shah, X.F. Zhang, X. , S. Kar, S. Talapatra, «Ferrocene вывел nanotubes углерода и их применение как электрохимические конденсаторы» J. Nanosci двойного слоя. Nanotech. 10, 4043-4048 (2010).
  13. Неопубликованные данные в сотрудничестве с Prof. K. Mondal (Dept. Процессов Машиностроения и Энергии на Южном Университете Carbondale Иллиноис)
  14. M. Endo, M.S. Strano и P.M. Ajayan, «Потенциальные Применения Углерода Nanotubes», В Углероде Nanotubes: Предварительные Темы в Синтезе, Структуре, Свойствах и Применениях (Темах в Прикладной Физике), Суете Jorio (Авторе, Редакторе), Джине Dresselhaus (Редакторе), Милдреде S. Dresselhaus (Редакторе), 1-ом Варианте, Спрингере (2008).

Авторское Право AZoNano.com, Профессор Saikat Talapatra (Южный Университет Carbondale Иллиноис)

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

Last Update: 14. June 2013 07:17

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