多功能碳 Nanotubes - 多功能碳 Nanotubes 的簡介和應用

由 Saikat Talapatra 教授

Saikat Talapatra,物理系教授,南部的 lllinois 大學 Carbondale
對應的作者: stalapatra@physics.siu.edu

碳 Nanotubes

在過去幾年有在研究與開發的激增與納諾材料有關。 在這中一材料,碳 Nanotubes,導致這個方式根據其引人入勝的結構以及其能力提供範圍從電子的功能特定應用,給能源和生物工藝學1,2。 碳 nanotubes (CNTs) 可以被查看作為碳頰鬚,是毫微米維數小管與屬性的接近那理想的石墨纖維。 由於他們的特別結構他們可以考慮作為在一維數 (1D) 的問題。

換句話說,碳 nanotube 是蜂窩格子滾對本身,與至幾個測微表的毫微米和長度等級的直徑。 通常, CNTs 的二不同類型存在取決於管由是否製成超過一 graphene 頁 (多被圍住的碳 nanotube, MWNT) 或仅一 graphene 頁 (请選拔被圍住的碳 nanotube, SWNT)。 對於在 CNTs 的詳細描寫请由 M. Endo 教授請參見這個條款

正確地多功能材料

不考慮牆壁的數量, CNTs 被構想作為擁有唯一物理屬性適用於各種各樣的應用的新的工程材料。 這樣屬性包括大機械力量、異乎尋常的電子特性和雄偉化學製品和耐熱性。 特別地,技術的發展生長碳 nanotubes 的一個非常受控方式 (例如在多種基體的對齊的 CNT 結構)3-7 以及大規模地,存在調查員全世界以適用這些受控 CNTs 結構的改進的可能性於真空微電子學的域,冷負極平板顯示器,場致發射設備、垂直的互連集合,氣體細分傳感器,生物濾清,在籌碼熱量管理等等。

除他們的未清結構上的完整性以及化學製品穩定性外,使碳 nanotubes 正確地多功能本質上的屬性是這個情況碳 nanotubes 有批次提供 (字面上) 根據比表面區。 根據 CNTs 的種類比表面區可能從 50 个 m/gm 範圍2到幾數百 m/gm2,并且與適當的洗淨處理比表面區能被增加至 ~1000 个 m/gm2

廣泛的理論上和實驗研究向顯示大比表面區出現由不同的吸附站點的可用性 nanotubes 的隨附於8。 例如,在 CNTs 生產了使用催化劑吸附在 CNTs 的彎曲的圓柱形牆壁外表面仅發生的協助解決的化學氣相沉積。 這是,因為 CNTs 的生產過程使用金屬催化劑的通常導致與閉合的末端的 nanotubes,從而限制管的空心內部空間的存取。

然而,有在圖 1. 上可能去除從而存在另一個吸附站點的可能性 MWNTs 節流閥端蓋的簡單的程序 (溫和的化工或熱量處理) (在管裡面) 在 MWNTs 如概要地被顯示。 同樣, SWNTs 的大規模生產過程導致捆綁 SWNTs。 由於此捆綁的作用, SWNT 捆綁请提供多種高能束縛位置 (例如凹線,圖 1.)。 此的什麼平均值是然後大表面是可用的在小的數量和這些表面與其他種類配合或可以被剪裁和 functionalized。

圖 1 : 可能的束縛位置可用為在 (被留下的) MWNTs 和 (正確的) SWNTs 的吸附出現。

我們的組的自己的研究利息處理到使用這些材料用不同的應用與能源和環境有關,他們的高比表面區扮演一個關鍵的角色。 二的這樣相關能源應用如下討論:

  • CNT 根據電化學雙層電容器
  • CNT 碱催化作用技術支持

CNT 根據電化學雙層電容器

電化學雙層電容器 (EDLC : 並且指超級電容器和超電容器) 被構想作為將有提供高能密度以及大功率密度的功能的設備9-11。 以非常高壽命和充電放電循環功能 EDLC 查找在軍人、空間、運輸、電信和 nanoelectronics 行業的多才多藝的應用。

EDLC 包含在電解質 (電極或收集器有非常高比表面區的),分隔由一個多孔膜和浸沒的二個非易反應的多孔牌照。 多種研究顯示了 CNTs 的適合作為 EDLC 電極。 然而, CNTs 的適當的綜合化與集電極的在 EDLCs 為使整體設備阻力減到最小是需要的為了提高 CNT 基於 supercapacitors 性能。 達到的此一個方法可能生長 CNTs 直接地在金屬表面和使用他們作為 EDLC 電極12 (圖 2)。 通過使用這樣途徑,有非常低等同的 (ESR)串聯電阻和大功率密度的 EDLC 電極可以得到。

圖 2 :(a) 直接地在金屬形成由對齊的 MWNT 增長的 EDLC 的藝術家翻譯 (b) 顯示低 ESR 的這樣 EDLC 設備的一種電化學阻抗分光學劇情和 (c) 非常指示印象深刻的電容工作情況的對稱和最近的長方形循環 voltamograms 的這樣設備。

CNT 碱催化作用技術支持

催化劑在我們的存在今天扮演重要作用。 催化劑是由於他們的唯一-9 表面屬性可能提高重要化學反應導致有用的產品的小顆粒 (~ 10 米或者毫微米)。 在任何种催化作用的進程,催化劑在高表面材料被分散,叫作催化劑技術支持。 技術支持提供機械力量給催化劑除之外提高特定催化作用的表面和提高反應速率。 CNTs,由於他們的高比表面區,未清機械以及熱量屬性和化工穩定性可能可能地成為選擇材料催化劑技術支持的在各種各樣摧化的化學反應。

我們目前測試使用 CNTs 想法作為催化劑技術支持在菲舍爾 Tropsch (FT) 綜合進程13。 FT 回應可能轉換一氧化碳和氫混合物成各種各樣的直接被束縛的和分支的烯烴并且塗石蠟并且氧化 (導致優質合成燃料的生產)。 我們在 CNT 支持的 FT 催化劑的初步的 FT 綜合實驗 (一般鈷和鐵) 向顯示 CO 和 H 轉換2 獲得與 FT 催化劑被裝載的 CNTs 高於那是數量級獲得與常規 FT 催化劑 (圖 3),表明非氧化物碱催化作用一個新的品種支持與 FT 綜合的優越性能的 CNTs 聘用。

圖 3 :CNT 裱糊使用作為催化劑技術支持為 FT Co 和 H 變換比的綜合和比較 2

到目前為止, CNT 研究提供了大量的興奮和新穎的可能性在學科納米技術基礎上的開發的應用。 CNTs 大規模增長範圍是平靜的現在成熟並且可能預計幾種固定的大容量的應用在不久的將來將湧現14

鳴謝

Saikat Talapatra 教授承認 NSF-ECCS 提供的由研究與開發 (ORDA) 辦公室在 SIUC 通過系啟動資金和種子授予,由伊利諾伊商務部和經濟機會通過採煤發展和伊利諾伊乾淨的採煤學院辦公室和財政支持 (授予 # 0925682) 為執行在此條款描述的某些研究主題。 ST 也希望感謝他的合作者以及他的過去和現在組成員積極參加在他的實驗室執行的多種研究工作。


參考

  1. P.M. Ajayan, 「從碳的 Nanotubes」,化工覆核,第99捲, P1787 (1999)。
  2. M.S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, P.Avouris, (編輯。) 碳 Nanotubes : 綜合、結構、屬性和應用,在應用物理學 80,紐約蹦跳的人的事宜, (2001)。
  3. W.Z. 李,等對齊的碳 nanotubes 大規模綜合。 科學 274, 1701-1703 (1996)。
  4. M. Terrones 等控制了對齊nanotube 的捆綁的生產。 本質, 388, 52-55 (1997)。
  5. Z.F. Ren,等大一些綜合在玻璃的對齊的碳 nanotubes。 科學 282, 1105-1107 (1998)。
  6. B.Q. 韋,等組織的集合碳 nanotubes。 本質 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, 「對齊的碳 Nanotubes 增長在批量金屬的」本質納米技術 2, 110-113 (2006)。
  8. A.D. Migone 和 S. Talapatra, 「關於碳 Nanotubes」的吸附 Nanoscience 研究,百科全書和納米技術, 4, 749-767 編輯。 H.S. Nalwa, ASP,美國, (2004)。
  9. 伯克, A. Ultracapacitors : 為什麼,如何,并且技術的地方。 電源 91, 37-50 日記帳 (2000)。
  10. C. Du, J. Yeh 和 N. Pan 「大功率使用局部對齊的碳 nanotube 電極的密度 supercapacitors」,納米技術 16, 350-353 (2005)。
  11. R. Shah、 X.F. 張和 S. Talapatra, 「直接地在金屬使用對齊的碳 Nanotubes 的電化學雙層電容器電極增長的」,納米技術 20, 395202 (2009)。
  12. R. Shah, X.F. 張, X。 S. Kar, S. Talapatra, 「Ferrocene 派生了碳 nanotubes 和他們的應用作為電化學雙層電容器」 J. Nanosci。 Nanotech。 10, 4043-4048 (2010)。
  13. 與 K. Mondal (機械工程和能源進程部門教授合作的未出版的數據在南部的伊利諾伊大學 Carbondale) 的
  14. M. 內, M.S. Strano 和 P.M. Ajayan, 「碳 Nanotubes」的潛在的應用在碳 Nanotubes 的, : 在綜合、結構、屬性和應用 (在應用物理學的事宜),騷擾 Jorio (作者,編輯) 的高級主題,基因 Dresselhaus (編輯), Mildred S. Dresselhaus (編輯),第 1 個編輯,蹦跳的人 (2008)。

版權 AZoNano.com, Saikat Talapatra (南部的伊利諾伊大學 Carbondale) 教授

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

Last Update: 14. June 2013 06:47

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