多功能碳 Nanotubes - 多功能碳 Nanotubes 的简介和应用

由 Saikat Talapatra 教授

Saikat Talapatra,物理系教授,南部的 lllinois 大学 Carbondale
对应的作者: stalapatra@physics.siu.edu

碳 Nanotubes

在过去几年有在研究与开发的激增与纳诺材料有关。 在这中一材料,碳 Nanotubes,导致这个方式根据其引人入胜的结构以及其能力提供范围从电子的功能特定应用,给能源和生物工艺学1,2。 碳 nanotubes (CNTs) 可以被查看作为碳颊须,是毫微米维数小管与属性的接近那理想的石墨纤维。 由于他们的特别结构他们可以考虑作为在一维数 (1D) 的问题。

换句话说,碳 nanotube 是蜂窝格子滚对本身,与至几个测微表的毫微米和长度等级的直径。 通常, CNTs 的二不同类型存在取决于管由是否制成超过一 graphene 页 (多被围住的碳 nanotube, MWNT) 或仅一 graphene 页 (请选拔被围住的碳 nanotube, SWNT)。 对于在 CNTs 的详细描写请由 M. Endo 教授请参见这个条款

正确地多功能材料

不考虑墙壁的数量, CNTs 被构想作为拥有唯一物理属性适用于各种各样的应用的新的工程材料。 这样属性包括大机械力量、异乎寻常的电子特性和雄伟化学制品和耐热性。 特别地,技术的发展生长碳 nanotubes 的一个非常受控方式 (例如在多种基体的对齐的 CNT 结构)3-7 以及大规模地,存在调查员全世界以适用这些受控 CNTs 结构的改进的可能性于真空微电子学的域,冷负极平板显示器,场致发射设备、垂直的互连集合,气体细分传感器,生物滤清,在筹码热量管理等等。

除他们的未清结构上的完整性以及化学制品稳定性外,使碳 nanotubes 正确地多功能本质上的属性是这个情况碳 nanotubes 有批次提供 (字面上) 根据比表面区。 根据 CNTs 的种类比表面区可能从 50 个 m/gm 范围2到几数百 m/gm2,并且与适当的洗净处理比表面区能被增加至 ~1000 个 m/gm2

广泛的理论上和实验研究向显示大比表面区出现由不同的吸附站点的可用性 nanotubes 的随附于8。 例如,在 CNTs 生产了使用催化剂吸附在 CNTs 的弯曲的圆柱形墙壁外表面仅发生的协助解决的化学气相沉积。 这是,因为 CNTs 的生产过程使用金属催化剂的通常导致与闭合的末端的 nanotubes,从而限制管的空心内部空间的存取。

然而,有在图 1. 上可能去除从而存在另一个吸附站点的可能性 MWNTs 节流阀端盖的简单的程序 (温和的化工或热量处理) (在管里面) 在 MWNTs 如概要地被显示。 同样, SWNTs 的大规模生产过程导致捆绑 SWNTs。 由于此捆绑的作用, SWNT 捆绑请提供多种高能束缚位置 (例如凹线,图 1.)。 此的什么平均值是然后大表面是可用的在小的数量和这些表面与其他种类配合或可以被剪裁和 functionalized。

图 1 : 可能的束缚位置可用为在 (被留下的) MWNTs 和 (正确的) SWNTs 的吸附出现。

我们的组的自己的研究利息处理到使用这些材料用不同的应用与能源和环境有关,他们的高比表面区扮演一个关键的角色。 二的这样相关能源应用如下讨论:

  • CNT 根据电化学双层电容器
  • CNT 碱催化作用技术支持

CNT 根据电化学双层电容器

电化学双层电容器 (EDLC : 并且指超级电容器和超电容器) 被构想作为将有提供高能密度以及大功率密度的功能的设备9-11。 以非常高寿命和充电放电循环功能 EDLC 查找在军人、空间、运输、电信和 nanoelectronics 行业的多才多艺的应用。

EDLC 包含在电解质 (电极或收集器有非常高比表面区的),分隔由一个多孔膜和浸没的二个非易反应的多孔牌照。 多种研究显示了 CNTs 的适合作为 EDLC 电极。 然而, CNTs 的适当的综合化与集电极的在 EDLCs 为使整体设备阻力减到最小是需要的为了提高 CNT 基于 supercapacitors 性能。 达到的此一个方法可能生长 CNTs 直接地在金属表面和使用他们作为 EDLC 电极12 (图 2)。 通过使用这样途径,有非常低等同的 (ESR)串联电阻和大功率密度的 EDLC 电极可以得到。

图 2 :(a) 直接地在金属形成由对齐的 MWNT 增长的 EDLC 的艺术家翻译 (b) 显示低 ESR 的这样 EDLC 设备的一种电化学阻抗分光学剧情和 (c) 非常指示印象深刻的电容工作情况的对称和最近的长方形循环 voltamograms 的这样设备。

CNT 碱催化作用技术支持

催化剂在我们的存在今天扮演重要作用。 催化剂是由于他们的唯一-9 表面属性可能提高重要化学反应导致有用的产品的小颗粒 (~ 10 米或者毫微米)。 在任何催化作用的进程,催化剂在高表面材料被分散,叫作催化剂技术支持。 技术支持提供机械力量给催化剂除之外提高特定催化作用的表面和提高反应速率。 CNTs,由于他们的高比表面区,未清机械以及热量属性和化工稳定性可能可能地成为选择材料催化剂技术支持的在各种各样摧化的化学反应。

我们目前测试使用 CNTs 想法作为催化剂技术支持在菲舍尔 Tropsch (FT) 综合进程13。 FT 回应可能转换一氧化碳和氢混合物成各种各样的直接被束缚的和分支的烯烃并且涂石蜡并且氧化 (导致优质合成燃料的生产)。 我们在 CNT 支持的 FT 催化剂的初步的 FT 综合实验 (一般钴和铁) 向显示 CO 和 H 转换2 获得与 FT 催化剂被装载的 CNTs 高于那是数量级获得与常规 FT 催化剂 (图 3),表明非氧化物碱催化作用一个新的品种支持与 FT 综合的优越性能的 CNTs 聘用。

图 3 :CNT 裱糊使用作为催化剂技术支持为 FT Co 和 H 变换比的综合和比较 2

到目前为止, CNT 研究提供了大量的兴奋和新颖的可能性在学科纳米技术基础上的开发的应用。 CNTs 大规模增长范围是平静的现在成熟并且可能预计几种固定的大容量的应用在不久的将来将涌现14

鸣谢

Saikat Talapatra 教授承认 NSF-ECCS 提供的由研究与开发 (ORDA) 办公室在 SIUC 通过系启动资金和种子授予,由伊利诺伊商务部和经济机会通过采煤发展和伊利诺伊干净的采煤学院办公室和财政支持 (授予 # 0925682) 为执行在此条款描述的某些研究主题。 ST 也希望感谢他的合作者以及他的过去和现在组成员积极参加在他的实验室执行的多种研究工作。


参考

  1. P.M. Ajayan, “从碳的 Nanotubes”,化工复核,第99卷, P1787 (1999)。
  2. M.S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, P.Avouris, (编辑。) 碳 Nanotubes : 综合、结构、属性和应用,在应用物理学 80,纽约蹦跳的人的事宜, (2001)。
  3. W.Z. 李,等对齐的碳 nanotubes 大规模综合。 科学 274, 1701-1703 (1996)。
  4. M. Terrones 等控制了对齐nanotube 的捆绑的生产。 本质, 388, 52-55 (1997)。
  5. Z.F. Ren,等大一些综合在玻璃的对齐的碳 nanotubes。 科学 282, 1105-1107 (1998)。
  6. B.Q. 韦,等组织的集合碳 nanotubes。 本质 416, 495-496 (2002)。
  7. S. Talapatra、 S. Kar, S. Pal, R. Vajtai, L. Ci, P. Victor, M.M. Shaijjumon, S. Kaur, O. Nalamasu 和 P.M. Ajayan, “对齐的碳 Nanotubes 增长在批量金属的”本质纳米技术 2, 110-113 (2006)。
  8. A.D. Migone 和 S. Talapatra, “关于碳 Nanotubes”的吸附 Nanoscience 研究,百科全书和纳米技术, 4, 749-767 编辑。 H.S. Nalwa, ASP,美国, (2004)。
  9. 伯克, A. Ultracapacitors : 为什么,如何,并且技术的地方。 电源 91, 37-50 日记帐 (2000)。
  10. C. Du, J. Yeh 和 N. Pan “大功率使用局部对齐的碳 nanotube 电极的密度 supercapacitors”,纳米技术 16, 350-353 (2005)。
  11. R. Shah、 X.F. 张和 S. Talapatra, “直接地在金属使用对齐的碳 Nanotubes 的电化学双层电容器电极增长的”,纳米技术 20, 395202 (2009)。
  12. R. Shah, X.F. 张, X。 S. Kar, S. Talapatra, “Ferrocene 派生了碳 nanotubes 和他们的应用作为电化学双层电容器” J. Nanosci。 Nanotech。 10, 4043-4048 (2010)。
  13. 与 K. Mondal (机械工程和能源进程部门教授合作的未出版的数据在南部的伊利诺伊大学 Carbondale) 的
  14. M. 内, M.S. Strano 和 P.M. Ajayan, “碳 Nanotubes”的潜在的应用在碳 Nanotubes 的, : 在综合、结构、属性和应用 (在应用物理学的事宜),骚扰 Jorio (作者,编辑) 的高级主题,基因 Dresselhaus (编辑), Mildred S. Dresselhaus (编辑),第 1 个编辑,蹦跳的人 (2008)。

版权 AZoNano.com, Saikat Talapatra (南部的伊利诺伊大学 Carbondale) 教授

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

Last Update: 14. June 2013 06:44

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