השימוש ב- Graphene ו- Carbon Nanotubes כ- Catalyst Supports in Heterogeneous Systems

Graphene ו- Carbon nanotubes (CNTs) הופיעו כחומרי תמיכה טרנספורמטיביים בקטאליזה heterogeneous, המציע שילוב של תכונות כי תמיכה מסורתית לא יכולה להתאים את השטח הגבוה ביותר שלהם, מוליכות חשמלית תרמית יוצאת דופן, יציבות כימית יוצאת דופן, ויכולת להיות פונקציונלית בדיוק מאפשרת התקדמות משמעותית בפעילות קטליטית, סלקטיבית, וזרז זמן מוקדם, כגון התעמלות מתקדמת, 000, 000, 000 פעיל של פחמן, 000, 000 פעיל של פחמן, 000 פעיל של פחמן, 000 פעיל, 000 פעיל של פחמן, 000 פעיל, פחמן, 000 פעיל, 000 פעיל זה עדיין מופעלת, פחמן, 000 פעיל של פחמן מופעלת, 000 פעיל של פחמן, 000 פעיל של פחמן, 000 פעיל של פחמן, 000 פעיל של פחמן, 000 פעיל של פחמן, 000 פעיל של מערכת פחמן מופעלת, 000 פעיל של פחמן, 000 פעיל של פחמן, 000 פעיל של שיטות לחימה, 000 פעיל של פחמן מופעלת מופעלת מופעלת מופעלת מופעלת מופעלת, פחמן-פחמן, 000 פעיל של פחמן-פחמי פעולה פחמן מופעלת, 000 פעיל של פחמן-פחמן, 000 פעיל של פחמן-אווירה, 000 פעיל של מערכת הפעלה מופעלת, 000 פעיל של פחמן-פחמן, 000

מבוא לתמיכה Catalyst

בקטאליזה heterogeneous, המרכיב הפעיל & mdash; באופן רטיפי מתכת או מתכת oxide & mdash; הוא מפוזר על תמיכה מוצקה כדי למקסם את מספר האתרים הפעילים נגישים ולייצב את הזרז החשוב נגד דלקת, הרעלה או השפלה מכנית (הגיבוי הפעיל של גרף חשמלי) לעתים קרובות; פני השטח שלה, האטמוספירה שלה, תכונות אלקטרוניות יכולות להשפיע עמוקות על ההתנהגות האנליטית נגד דלקתיות, כגון גרף חשמלי, 000, כגון השפעות חשמליות, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 גרור השפעות חומצה חשמלית, 000.

תכונות של Graphene ו Carbon Nanotubes ⁇ ל Catalysis

הביצועים יוצאי דופן של גרפן ו- CNTs כזרז תומך מקורם ממספר מאפיינים פיזיים וכימיקליים הקשורים אליו.הבנת תכונות אלה חיונית לתכנון רציונלי של זרזים נתמך.

שטח שטח שטח רחב ופורוסיות

Graphene, שכבת אטומית אחת של פחמן sp2-hybridized, יש שטח משטח תיאורטי של 2630 m2 / g & mdash; רחוק יותר מזה של פחמן פעיל (בדרך כלל 500-1500 מ"ר / g) או ג'ל סיליקה (300-800 m2 / mg) בפועל, גרפן (GO) מופחת oxide (GO) משמש לעתים קרובות להשיג נפח גבוה של פחמן / mm2g) אך ורק 2.

חשמל ותפקודי

מערכת ⁇ -electron מקנה מוליכות חשמלית גבוהה: גרפן - 106 S / ס"מ, SWCNTs - 105 S / ס"מ אחר זה קריטי לתגובות אלקטרו-קטליטיות (למשל, הפחתה חמצן, אבולוציה מימן) שבו העברה מהירה אלקטרונים אל ומאתרים הפעילים הוא לקבוע שיעור גבוה באותה מידה (-5000 Wm / גרף עבור גרף / גרף כזה, במיוחד עבור גרף / גרף / גרף / גרף / גרף / גרף / גרף / גרף זה יכול במיוחד עבור גרף / גרף / גרף / גרף / גרף / גרף / גרף / גרף זה יכול במיוחד גרף / גרף / גרף / גרף / גרף זה יכול במיוחד גרף / גרף / .

עמידות כימית וקורוזיון

Graphene ו- CNTs הם יציבים במיוחד בסביבה חומצית, בסיסית ואורגנית, בניגוד תחמוצת מתכת רבים תומך כי ניתוק בתנאים חומציים או אלקליין חזק.יציבות זו מאפשרת השימוש שלהם בתגובתיות חריפה Media & mdash; לדוגמה, בתגובה לאבולוציה החמצן האלקטרוכימי (OER) הדורשת אלקטרוליטים אלקטרוליטים חזקים, או במימן נוזלי באמצעות חומצות מינרלים.

יעילות וכימיה חיצונית

ה- prise sp2 פחמן lattice הוא יחסית אינרציה, אבל פגמים וקבוצות המכיל חמצן (למשל, OH, -COOH, -C=O) שהוצג במהלך סינתזה או לאחר טיפול לספק אתרי עוגן עבור מברקים מתכת.קבוצות פונקציונליות אלה יכולים להיות מכוונן עוד דרך קידוד (למשל, תוך כדי הדבקה, היפרדות, היפרדות), או מחסנים (cotizing) פעיל של מחסנים של חומרים אלה (מדומים, מחסנים) כדי מחסנים, מחסנים, מחסנים, מחסנים, מחסנים (מדומים, מחסנים) כדי מחסנים, מחסנים ( ⁇ מחסנים ( ⁇ ) כדי מחסנים, ⁇ ⁇ מחסנים, ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ מחסנים, ⁇ ) כדי ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ספקטרום ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ספקטרום סגסוגת פולימרים) יכול להיות מסוגל ⁇ ספקטרום סגסוגת פולימרים,

כוח מכני וגמישות

ננו-בוטיקים פחמן יש כוח רב-קרקעי יוצא דופן (~100 GPa עבור SWCNTs) ומודולולוציות של יאנג (- 1 TPa) עוצמה מכנית זו מבטיחה כי מבנה התמיכה נשאר שלם תחת עוררות מכנית, פיזור קולי, או תנאי זרימה בלחץ גבוה. Graphene membranes, בעוד גמיש, חזקים מספיק כדי ליצור אלקטרודות עצמיות וסרטים.

Synthesis ואסטרטגיות התאמה פונקציונליות עבור Graphene / CNT- Based Supports

כדי לממש את הפוטנציאל של חומרי פחמן אלה כתומך, הכנה זהירה ושינוי נדרשים.הבחירה של נתיב הסינתזה משפיעה לא רק על האיכות המבנית אלא גם על צפיפות הפגם, כימיה פני השטח, אדריכלות פואר.

Graphene Synthesis: From Graphite to מופחת Graphene Oxide

המסלול הנפוץ ביותר לתמיכה מבוססת גרפן הוא פיזור כימי של גרפן ל- גרפן תחמוצת גרפן (GO) באמצעות חמצון חזק (למשל, שיטת Hummers), ואחריו הפחתה (כימיקלים, תרמיים או אלקטרוכימיים) כדי להסיר קבוצות חמצן (Gatecate) גרף (rGO) שומרת כמה פגמים וקבוצות פונקציונליות חייות, אשר יכול להיות יתרון עבור דלקת מפרקים חמורה, אך ורק סגסוגת נמוכה יותר.

פחמן Nanotube Synthesis: CVD, Arc Discharge, ו- לייזר Ablation

פיזור כימי (CVD) הוא השיטה העיקרית לגידול CNTs, המציע שליטה על קוטר, אורך, ומספר קירות (SWCNT לעומת MWCNT) מקור פחמימן (למשל, מתאן, ethylenelenelene) הוא מפסל על זרז מתכת (Fe, Co, Ni) ב 600-1000 מעלות צלזיוס לאחר, את חלקיקי המתכת חייב להיות הסרת באמצעות מחסנית לייזרים נמוכה יותר.

טכניקות יעילות

גרפין פריסטין ו- CNTs נוטים להתגאומלות בשל כוחות ואן דר וואלאס, אשר מפחית שטח פני השטח נגיש.תפקוד כתובות בעיה זו ומציגות מטפלות בעגנה.

  • (FLT:0) פונקציונליזציה קוהרנטית: טיפול 1FLT עם חומצות חזקות (HNO3/H2SO4) יוצר ארגזיל, הידרוקסיל וקבוצות פחמן באתרי פגם.קבוצות אלה יכולות לשמש למורכבות מתכת graft כימית, קישורים אורגניים, או פולימרים.
  • (FLT:0) פונקציונליות לא שווה: FLT:1 אדים של גולשים (למשל, נתרן דוהיל sulfate), פולימרים (polyethyleneimine, PVP), או מולקולות ארומטיות באמצעות ⁇ - ⁇ - ⁇ ערימה משמרת את המבנה האלקטרוני תוך שיפור פיזור.
  • (FLT:0) Heteroatom doping:FreaLT:1) שילוב חנקן, בורון, sulfur, או זרחן לתוך הפחתת פחמן מינוף את צפיפות אלקטרונית ויוצר אתרים קטליטיים. N-doped גרפן, למשל, מציג פעילות אלקטרוקטליטית אינטריבית לצמצום חמצן, המאפשרת שיתוק מתכתי.

יישומים ב-Heterogeneous Catalysis

Graphene ו- CNT-מציעים מצאו תועלת על פני מגוון רחב של תגובות, החל מ הידרו-מעבד תעשייתי ועד טכנולוגיות אנרגיה מתפתחות.התתת הבאה מדגישה אזורים מרכזיים עם דוגמאות ייצוגיות.

תגובות הידרוגנס

במימן, חלקיקים מתכת (Pt, Pd, Ru, Ni) הם בדרך כלל מפוזרים על תמיכה בקטליזה תוספת של מימן לאיגרות חוב בלתי רוויות (C=C=O, C=O, C ⁇ N) תומכים מבוסס פחמן להציע יתרונות נפרדים: האזור הספציפי שלהם מאפשר עומסי מתכת גבוהים עם גודל חלקיקים קטן, בעוד מערכת ⁇ -אלקטרונית יכולה להקל על מימן, לדוגמה, 000) עבור פעילות אלקטרון מופעלת גבוהה יותר של צינורות פחמן (D) אשר מופעלת מוגברת על ידי גרף (D) אשר מופעלת גבוהה יותר מאשר גרף (D) הוכח על ידי גרף DTO מופעלת מוגברת של פחמן (D) אשר מופעלת על ידי גרף גבוה יותר של פחמן CTO) אשר מסייע גרף גבוה יותר של פחמן CvD) אשר מסייע גרף גבוה יותר של פחמן Cvic חומצה גבוהה יותר מאשר גרף גבוה יותר של פחמן CTO מופעלת מוגברת של פחמן (D) אשר מסייע גרף DRMD) אשר מסייע גרף DvD) אשר מסייע גרף גבוה יותר מאשר ⁇ d) 000 000 000 000 000 000 000 000) אשר מסייע ⁇ ⁇ מופעלת לחץ דם מופעלת על ידי ⁇ ⁇ ⁇ גרף גבוה יותר של

תגובה של Oxidation

חמצון מספק של אלכוהול, אלקנס ואלקנס הוא היסוד לייצור של כימיקלים בסדר. חלקיקים זהב, אשר להיות פעיל מאוד כאשר מתחת 5 nm, ליהנות מאוד מ פחמן תומך. Au / זרזי ה-NGO הוכיחו פעילות יוצאת דופן עבור חמצון אירובי של חמצן CPA, אשר מסייע לדלקת חמצן מעולה של חמצן CRV3, 000 תפקוד הדם של צריכת חמצן, 000 תפקוד הדם של חמצן כדי להיות מנזלחמת תחת תנאים קלים (80C, 000) עם תפקוד אלקטרואקטיבית, 000 תפקוד של חמצן, 000 תפקוד הדם CDR.

אלקטרו-קטאליזה: תאי דלק וחילוץ מים

מוליכות חשמלית של גרפן ו- CNTs מנוצלת ישירות באלקטרוקטאליזה, שבו העברת אלקטרונים היא חלק בלתי נפרד מהתגובה.פלטינום נתמך על CNTs (Pt/CNT) היא חומר קטו-המת בוגר עבור תאי דלק פרוטון (PEMFC) אשר דחוסים באופן דרמטי את התגובה להפחתה חמצן (Rhydricduction) בהשוואה ל-Ricialbackopt/C (Ron-R) ו-Nexenive Active CR) בהשוואה ל-Ricial Support) בהשוואה ל-Ricialricialivericial גרף (Ricial) בהשוואה ל-Ricial Active CTF) ל-Ricial Repodicialbackricialricial Repod (Ricial) ל-Ricial Retra גרף (Ricial) בהשוואה ל-Ricialbackgine-Ricials (Ricials) ל-Ricial Repodicialbackgicials) בהשוואה ל-Ricials (Ricial Retragicials) ל-Ricial Repodance) ל-Ricial Retra

צילום: Solar-Driven Chemical Conversion

Graphene ו- CNTs משמשים כמקבלי אלקטרונים ומפעילי תחבורה בתשלום במערכות פוטו-קטליטיות.כאשר בשילוב עם סמי-מוליכים למחצה photocatalysts (TiO2, ZnO, CdS), התמיכה בפחמן-COD-hole CODIS מדכאת את ה-CO2Fateed-Cine-Opine-upreects-Cine-upre-C-upre-upre-DNS (המתעד 3DNS) לאחר ש-DNSDNS Cintate Cintate Cconducterated אלקטרונים (המתמסלול 4D) ממשטח ה-D2 Cconducterated אלקטרונים (מסוגלעמוד חצי-D) ממשטח ה-DN) ממשטח ה-DN) ממשטח ה-D2, להאריך את פני השטח ה-Cconductertorated, להאריך את פני השטח ה-Cconducterated, להאריך את פני השטח ה-Cconductertorated, להאריך את פני השטח ה-T2, להאריך את פני השטח למחצה, להאריך את פני השטח ה-CconductertorTMOS) ל-Cconductert2, אשר ניתן

המונחים: Eutant Degradation and Adsorption

פחמן תומך טעון עם חלקיקים קטליטיים יעילים להסרת של חומרים אורגניים, מתכות כבדות, ומזהמים מתעוררים. פנטזיות כמו חמצון (H2O2 decomposition לרדיקל רדיקלים הידרוקסל) משופרת כאשר חלקיקים של נחושת ברזל לוכדים תמיכה ב- CNTs; האזור הגבוה ו- mesorosity לחשוף אתרים פעילים יותר, ואת פחמן יכול להביא אותם למולקולות של חומר נפץ אורגני.

יתרונות ואתגרים של תמיכה ב-GEMP / CNT

בעוד היתרונות של ננו-חומרי פחמן אלה הם משכנעים, יישום מעשי ניצב בפני מכשולים שיש לטפל בהם.

יתרונות מפתח

  • (FLT:0) פעילות וסלקטיביות: קיד:1) האזור פני השטח הגבוה, כימיה פני השטח טוטלי, ואינטראקציות תמיכה מתכת לעתים קרובות להוביל זרזים עם תדרי מחזור מעולים וסלקטיביות טובה יותר בהשוואה לתומכים קונבנציונליים.במקרים מסוימים, מסלולים חדשים תגובה הופכים נגישים, כמו במקרה של גרף N-dopedene קידום ארבעת-electron O Pathway.
  • (FLT:0) שיפור עמידות: FLT:1 , האינטונציה הכימית של פחמן גרפיטי מתנגד לניתוק וקורוזיון, להאריך את חיי הזרז.לדוגמה, זרז Pt /MWCNTs לשמור > 80% מפעילות ראשונית לאחר 5000 מחזורים אפשריים בבדיקות תאי דלק, בעוד Pt / C קונבנציונלי מפסיד >50%.
  • (FLT:0)Multifunctionality:FLT:1, התמיכה עצמה יכולה לתרום לשיתוק באמצעות פגמים או heteroatoms, יצירת אתרים דו-אקטיביים (למשל, NPs + אתרי חנקן) תמיכה גרפינית יכולה לשמש גם פלטפורמה רגישה או אלקטרודה גמישה במכשירים משולבים.
  • (FLT:0) אישורים: LT:1 ; מוליכות תרמית וחשמלית מעולה מאפשרת הפעלה בטמפרטורות גבוהות יותר או שיניים נוכחיות ללא השפלה, פתח דלתות לכורים זורמים רצופים וכורים אלקטרוכימיים.

אתגרים נוכחיים

  • (FLT:0) של חומרים באיכות גבוהה:FreaLT:1) ייצור של pristine, גרפן ללא פגם או טיהור גבוה SWCNTs נשאר יקר בהשוואה לזרזים כמו ⁇ -alumina. עם זאת, העלות של MWCNTs ברמה תעשייתית ירד משמעותית (כ מינוס 50-100 / ק"ג), מה שהופך אותם ליעילות כלכלית עבור יישומים מסוימים.
  • (FLT:0) רגישות וחידוש אצווה: OVAFLT:1) שיטות סינתזה רבות (למשל, CVD גרפן, arc-discharge SWCNTs) אינן ניתנות בקלות תוך שמירה על איכות עקבית. unisist בדחיסות פגם, קבוצות פונקציונליות על פני השטח, וזיהומים מתכת יכולים להוביל לביצועים משתנים.
  • (FLT:0) מיועד לתפקוד מותאם: FIRLT:1 ; הכימיה אופטימלית של פני השטח לעגן את המינים הפעילים היא תגובה ספציפית.Over-functionalization יכול להציג פגמים מופרזים כי degrade חשמל מוליכות ונכסים מכניים; פונקציונליות לא מספקת מובילה לפיזור גרוע ולניתוק. Balancing גורמים אלה דורש אופטימיזציה זהירה.
  • השפעות סביבתיות ובריאותיות: FLT:0 (Faltental Environmental and Health Effects: FIRLT:1) שחרור CNTs או גרפן פיתיקניות לתוך הסביבה מעלה חששות רעילים, בעוד מערכת הקטליטית עצמה היא בדרך כלל סגורה, טיפול בטוח ופרוטוקולים של סילוק חיים נדרשים. מחקרים הראו כי סוגים מסוימים של CNT יכולים לגרום דלקת ריאות במודלים של בעלי חיים, תוך הדגשת הצורך באמצעי בטיחות הכיבוש.

תחזיות עתידיות ומגמות מתפתחות

מחקר ופיתוח בתחום זה ממשיכים בקצב מהיר, מונע על ידי הביקוש לתהליכים קטליטיים יעילים יותר ובעלי קיימא.כמה כיוונים מבטיחים להפנות תשומת לב.

Catalysts יחיד על תמיכה בפחמן

הגבול האולטימטיבי של ניצול מתכת ו- CNTs; הוא אטומים בודדים מעוגן על תמיכה & mdash; כבר התגשמו באמצעות גרפן חנקן או CNTs. התיאום החזק של אטומי מתכת לאתרים N (הודיעו אתרי M-N4 moieties) מייצב אותם נגד אגרציה, בעוד שהמבנה האלקטרוני מניב פעילות יוצאת דופן לתגובות כגון הפחתת חמצן ו- CO2 אלקטרו-Freduction עבור גרף יחיד של פעילות גופנית (N).

3D Hierarchical Architectures

אסלינג 2D גרפן או 1D CNTs לתוך רשתות תלת-ממדיות (למשל, aerogels, קצף, ספוגים) מספק שטח משטח גבוה תוך מניעת מנוחה. מבנים מקרו כאלה יכולים לשמש כזרז מונוליטי תומך עם תחבורה המונית מעולה וטיפול נכסים.הם אטרקטיבי במיוחד עבור שיתוק זרימה רצופה, שבו זרז מונוליטי יכול להיות ארוז ישירות לתוך כורה מוכחת עבור ספוגים עבור ספוגים של 100 מעלות צלזיוס.

Machine Learning and High- Throughput Screening

בהתחשב במרחב הפרמטר העצום של תמיכה, פונקציונליות ותנאים קטליטיים, שיטות חישוביות משמשים יותר ויותר להנחות עיצוב ניסיוני.מודלים למידת מכונה יכולים לחזות את השילוב האופטימלי של תמיכה מתכת עבור תגובה ממוקדת על ידי אימון על נתונים שפורסמו של זרז ביצועים בשילוב עם חישובים DFT החושפים אנרגיות מחייבות ומחסומים תגובה, גישות אלה מבטיח להאיץ את הגילוי של זרז תמיכה פחמן הדור הבא.

מסחר ותעשייה

כמה חברות כבר משווקות גרפן-או CNT-מתמוך זרזים עבור יישומים נישה.לדוגמה, FLT:0TanamiveFLT:1 משווק פלטינה על אלקטרו-קטל פחמן nanotube אלקטרו-קטאליסיסטים עבור אלקטרודות תאי דלק, בעוד ש-NFLT:2XG מדעי ActiveFLT 3 מייצר אבקת מתכת ממוקדת גרף עבור מתודולוגיה מיוחדת, אך עדיין משפרת את עלויות ייצור פחמן חומרניים.

לסיכום, גרפן וננו-רשתות פחמן שינו את הרעיון של זרז תומך מנושאות פסיביות למשתתפים פעילים בקטאליזה הטרוגנית.שילובם הייחודי של שטח פני השטח, מוליכות, יציבות וטונה מציע הזדמנויות חסרות תקדים לתכנון זרזים עם ביצועים מעולים. אתגרים הקשורים בעלות, דרוגנות, ובטיחות, אך מחקר מתמשך בסינולוגיה, פונקציונליות, ושילוב הוא בהתמדה על פני תהליכים כימיים מתקדמים יותר, כמו גם על בסיס פחמן, אשר יעילים יותר, כמו גם על בסיס יעיל יותר, כמו גם על בסיס יעיל יותר, כמו גם על בסיס יעיל יותר, כמו גם על בסיס יעיל יותר, הגנה ירוקה, כמו גם על בסיס יעיל יותר, כמו גם על בסיס יעיל יותר, שמירה על בסיס יעיל יותר, כמו גם על בסיס פחמן, שמירה על בסיס יעיל יותר, שמירה על בסיס יעיל יותר, שמירה על איכות הסביבה, שמירה על בסיס יעיל יותר, שמירה על איכות הסביבה, שמירה על בסיס פחמן, שמירה על אנרגיה ירוקה, שמירה על בסיס יעיל יותר, שמירה על בסיס פחמן, שמירה על בטיחות, שמירה על בסיס יעיל יותר, שמירה על איכות, שמירה על בטיחות, אך בטיחות, אך, אך שמירה על בטיחות, אך, אך שמירה על בטיחות, אך שמירה על בטיחות, אך שמירה על בטיחות, אך שמירה על בטיחות

(ב) ויקרא י"ד:

  • ג'ו, Y. et al. (2010) , Graphene ו Graphene Oxide: Synthesis, Properties, and Applications.FLT:0 (החומרים הבאים) 1 DOI: 10.1002/adma.20100106868
  • דה וולדר, M. F. L. et al. (2013) פחמן ננופס: Present and Future Applications.FLT:0SciencecioFLT:1
  • (ב) ⁇ (בלטינית:0) Catalysts for Electrocatalysis.
  • (ב) ויקרא י"א: "א' א' (שם ט"ד) ,"א) ,"ה' ויקרא ויקרא ויקרא ויקרא י"ד, ויקרא י"ד).