Graphene ve Karbon Nanotüplerin Kullanımı, Heterojen Sistemlerde Catalyst Destekler

Grafik ve karbon nanotüpleri (CNTs), heterojen katalizdeki dönüştürücü destek materyalleri olarak ortaya çıktı, geleneksel desteklerin eşleştirilemeyeceği özellikleri bir kombinasyon sunuyor. Ekstraordinly high yüzey alanı, olağanüstü elektrik ve termal iletkenlik, olağanüstü kimyasal stabilite ve CNTs, katalitik aktivitede belirgin ilerlemeler sağladı, seçicilik ve uzun süreli olarak, metalik yöntemler gibi erken katalizörler, temelsel yöntemler gibi desteklerken, temel olarak kullanılan karbonel-gerçekten yüksek yüzeysel olarak kullanılan temel mikro-parçaklı sistemlerde kullanılan temel bir platform sağlar.

Catalyst Desteklerine Giriş

Heterojen kataliz, aktif bileşen ve mevzi;tipik olarak metal veya metal oksit — özellikle de yüksek çözünürlükteki yüzeysel davranışları metal destekli etkileşimlerin sayısını en üst düzeye çıkarmak için sağlam bir destekle dağılır ve sintering, zehirlenmesine karşı katalizörler, mekanik bozulmalar gibi destekler.

Graphene ve Karbon Nanotüplerinin Özellikleri Kedililiğe Karşı Yeniden İlişkili

Grafikene ve CNT'lerin katalizör desteği olarak olağanüstü performansı, çeşitli ilgili fiziksel ve kimyasal özelliklerden kaynaklanmaktadır. Bu özellikleri anlamak, desteklenen katalizörlerin rasyonel tasarımı için önemlidir.

Yüksek özel Yüzey Bölgesi ve Porosity

Grafikte, tek bir atomik hidroksit tabakası, uygulama, grafikte oksit (GO) ve daha sık 600-1500 m2/g ile daha fazla performans gösteren yüzeylere sahip olmak için kullanılan grafikte (MWCNT) veya silikli karbonlar (300-800 m2/g) ve tek kullanımlık CNTler arasında yüzeysel yüzeylerde ve yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte.

Elektrik ve Termal Davranış

Deyerelized }}-electron sistemi ultra yüksek elektrik iletkenliği sağlar: grafiken ~ 10.01.2016 S/cm, SWCNTs ~ 10^5 S/cm. Bu, elektrotiğe yönelik olarak kritiktir (örneğin, oksijen azaltımı, hidrojen evrimi) özellikle de hidrojen veya iyonik olmayan reaksiyonları hızlandırabilir (~5000 W/m·K for askıya alma işlemi için kritiktir.

Kimyasal İstikrar ve Korozyon Direnişi

Graphene ve CNTs, asitli, temel ve organik ortamlarda olağanüstü stabildir, birçok metal oksitin güçlü asit veya alkali koşullardan farklı olarak, bu stabilite, sert reaksiyon medya vemdash'ta kullanımlarını sağlar; örneğin, elektrokimyasal oksijen evrimi reaksiyonlarında (OER) mineral asitleri kullanarak sıvı-faz hidrojeni destekler.

Fonksiyonellik ve Yüzey Kimyası

Fiistin sp2 karbon lattice nispeten inert, ancak kusurları ve oksijenli gruplar (örneğin, -OH, -COOH, -C=O) sentez veya post-tedavül sırasında tanıtıldı, bu fonksiyonel gruplar, araştırmacıların aktif yük, elektriksel dönüşüm, elektriksel dönüşüm, elektriksel dönüşüm ve elektronik devlet türünden daha iyi optimize etmesine izin verebilir.

Mekanik Kuvvet ve Flexability

Karbon nanotüpler olağanüstü bir çekme gücüne sahiptir (~100 GPa for SWCNTs) ve Young'ın modeulus (~1 TPa) Bu mekanik sağlamlık, destek yapısının mekanik olarak karıştırılması, ultrasonik dağıtım veya yüksek basınçlı akış koşulları altında kalmasını sağlar.

Grafik / CNT-Based Supports için Cümle ve Fonksiyonelleştirme Stratejileri

Bu karbon materyallerin potansiyelini desteklemek, dikkatli hazırlık ve modifikasyon gerekli olduğunu anlamak için. sentez rotasının seçimi sadece yapısal kaliteyi değil aynı zamanda kusurların yoğunluğu, yüzey kimyası ve porselen mimariyi de etkiler.

Graphene Synthesis: Graphite'den Graphene Oksit'i Azaltmak

En yaygın transfer rotası, oksijen gruplarının çıkarılması için TY-conjugate (projeksiyon) kullanılarak, sıvı-fazlı grafikler için bazı kusurları ve retorik grupları korumak için programlanabilir.

Karbon Nanotube Synthesis: CVD, Arc Discharge ve Lazer Ablation

Kimyasal buharlaştırma (CVD), CNTs'i yetiştirmenin en büyük yöntemidir, uzun ve uzun duvarlara kontrol sağlar (SWCNT vs MWCNT) Hidrokarbon kaynağı (örneğin, methane, retin) yüksek çözünürlükte ticari MWCNTs, 600-100 °C'de bir metal katalizörün (Fe, Co, Ni) daha düşük maliyetlidir.

Fonksiyonelizasyon Teknikleri

Pristin grafiğiene ve CNTs, van der Waals kuvvetleri nedeniyle bir ganimet eğilimine eğilimlidir, bu konuyu ele alır ve katalizör için iş getirir.

  • [FONT:0)Covalent fonksiyonelizasyon: [Dönetici: Güçlü asitlerle tedavi (HNO3/H2SO4), karboxyl, hidroxyl ve karbonil gruplarının hatalı sitelerde kullanımı.Bu gruplar daha sonra kimyasal olarak gret metal kompleksleri, organik bağlantıcılar veya polimerler için kullanılabilir.
  • [FONT:0) Hayırlı-kovalent işlevselizasyon: Kilometreleri (örneğin, sodyum dodecyl sulfate), polimerler (projeksiyonlar, }}-Sermayeler) veya aromatik moleküller aracılığıyla, özellikle de transatrik gruplarındaki Pyrene türbüslerini iyileştirmeler özellikle etkilidir.
  • [FONT:0) Heteroatom doping: [Dönetici: [Dönetici:0)) Örneğin, oksijen azaltımı için metal-serbest kediiz sağlar.

Heterojen Kedili Uygulamaları Uygulamaları

Grafik ve CNT destekli katalizörler, gelişmekte olan enerji teknolojileri için endüstriyel Hidroişmanlardan geniş bir tepki yelpazesinde fayda buldular. Aşağıdaki alt bölümler, temsilci örneklerle temel alanları vurgulamaktadır.

Hidrojenizasyon Reaksiyonları

Hidrojen aşığı, metal nanopartiküller (Pt, Pd, Ru, Ni) genellikle hidrojenin ekini doymamış tahvillere (C=C, C=O, C ⁇ N) destek veren Pd nanoparçacıklı sistemlere göre yüksek metal yüklemeleri sağlarken, Pd karbon iyonunun karbonu üzerindeki etkisinden dolayı Pd nanoparçacıklara benzer şekilde daha yüksek olan hidrojen transferleri için desteklenmektedir.

Oxidation Reactions

Alkollerin, alkenlerin seçimi ve alkanes, ince kimyasalların üretimine temeldir. Altın nanopartiküller, 5 nm altında yüksek oranda aktif hale gelir, karbon desteğinden büyük ölçüde yararlanır; Au-fis/rGO katalizörleri, toksik oksijen için olağanüstü aktivite göstermiştir, yumuşak koşullardan yararlanan retereasyonlar 8, 1 inm O2), örneğin Coleptik oksitler gibi.

Elektrocatiyaliz: Yakıt Hücreleri ve Su Bölünmesi

Grafiksel ve CNTs elektrik iletkenliği, oksijen azaltımı için en doğrudan kullanılandır, ki elektron transferi reaksiyona entegre edilir. Platinum CNTs (Pt/CNT) daha yüksek kütle aktivitesine ve geliştirilmiş yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte hipotavlar için yüksek çözünürlükte ortaya çıkmaktadır.

Fotocatiyaliz: Solar-Driven Kimyasal Dönüşüm

CNTs, fotocatalytic sistemlerde hızlanan elektron kabulörleri ve şarj taşıyıcıları olarak hizmet eder.In example, TiO2 nanopartiküller (TiO2/S), karbon desteği, yarı iletken yüzeyden gelen mavi oksijenin bozulmasıyla ısınır ve ayrıca TiO2 nanopartiküller ile yapılan yüksek fotokatamik aktiviteyi azaltır.

Çevre Remediasyon: Kirli Degradasyon ve Adpsiyon

Karbon, katalitik nanopartiküllerle yüklenmiş olan karbon destek, CNTs'in kaldırılması için etkilidir; yüksek yüzey alanı ve mesoporosity daha aktif Fe sitelerini ortaya çıkarır ve karbon yüzeyinin radikallerle yakınlaşmasına olanak sağlar.

Graphene/CNT Desteklerinin Avantajları ve Zorlukları

Bu karbon nanomalzemelerin faydaları zorlayıcı olsa da, ele alınması gereken pratik uygulama yüzleri engellerle karşı karşıyadır.

Anahtar Avantajı

  • [FONT:0)Enhanced aktivite ve seçicilik: Yüksek yüzey alanı, tunable yüzey kimyası ve metal destekli etkileşimleri genellikle yüksek frekanslarla katalizörlere yol açar ve bazı durumlarda, yeni reaksiyon yolları erişilebilir hale gelir, N-electron ORR yolunu destekler.
  • [FONT=0)En iyi dayanıklılık: [Dönetici karbonun kimyasal inertness of grafikleritic karbon, ısıtılmış ve korozyona karşı direnir, katalizör ömrünü uzatır. Örneğin, Pt/MWCNT katalizörleri, yakıt hücre testlerinde 5000 potansiyel döngüden sonra ilk aktivitenin% 80'ini korurken, geleneksel Pt/C %50'sini kaybeder.
  • [FONT:0) Çok fonksiyonellik:[Dönetici:[Dönetici:[Dönetici:0) Destek kendi başına hataları veya heteroatomlar aracılığıyla katalize katkıda bulunabilir, dual-aktif siteleri (örneğin, metal NPs + azot siteleri) bir grafiksel destek aynı zamanda tümleşik cihazlarda bir algı platformu veya esnek elektrot olarak hizmet edebilir.
  • [FONT:0)Process intensification:[Dönetici: [Dönetici ve elektriksel iletkenliği, yüksek sıcaklıklarda veya mevcut atıkların bozulmadan çalışmasını sağlar, sürekli akış reaktörlere ve elektrokimyasal membran reaktörlere kapılar açar.

Şimdiki Meydan Meydanlar

  • [FONT:0) Yüksek kaliteli malzemelerin en iyisi: FİLMİNİ, pristin, kusursuz grafikler veya yüksek hacimli SWCNTs, ⁇ -alumina gibi büyük katalizörlerle karşılaştırıldığında pahalı kalır. Ancak, endüstriyel-grad MWCNTs maliyeti önemli ölçüde azaldı (yaklaşık 50 $ / kg olarak düşük), belirli uygulamalar için ekonomik olarak uygulanabilir hale getirdi.
  • [FONT:0]Scalability and toplu reproducability: Birçok sentez yöntemi (örneğin, CVD grafikene, ark-discharge SWCNTs) tutarlı kaliteyi korumakta güçlük çekiyorken kolayca ölçeklendirilmemektedir.
  • [[Dönetici için uygun olmayan bir fonksiyonellik için: Aktif türlerin demirlenmesi için en uygun yüzey kimyası reaksiyona özgüdür. Aşırı işlevlileştirme, elektrik iletkenliği ve mekanik özellikleri gösteren aşırı kusurları tanıtabilir; yetersiz fonksiyonelleştirme zayıf dağıtım ve katalizörlere yol açar.
  • [FONT=0]Potential environment and health effects: CNTs veya grafikten alınanlar çevreye toksikolojik kaygılar getirir. Kedili sistem kendisi genellikle kapalı, güvenli kullanım ve son yaşam kurtarma protokollerine ihtiyaç duyarken, bazı CNT tiplerinin hayvan modellerinde akciğer inflamasyonuna neden olabileceğini göstermiştir.

Future Perspectives ve Gelişen Trendler

Bu alanda araştırma ve geliştirme, daha verimli ve sürdürülebilir katalitik süreçler için talep tarafından yönlendirilen hızlı bir hızda devam ediyor. Birkaç umut verici yol dikkati.

Karbon Destekleri Üzerine Tek Bir Frekans Catalyst

Metal kullanım vedash'in nihai sınırı; Bir destek vemdash'e demirlenmiş tek atomlar; Örneğin, N siteleri için güçlü bir koordinasyon (M-N4 moieties) onları asitli medyadaki rakipsiz bir çalışmaya karşı güçlendirdi, ancak bu dinamik dönüşüm ve CO2 elektroredüksiyon gibi tepkiler için olağanüstü aktiviteye odaklanacaktır. Örneğin, N-doped grafiklere karşı tek atomlar (Fe-N4-C) rakip Pt for ORR in asitli medyadaki rakip Pt.

3D Hierarchical Architectures

2D grafik levhaları veya 1D CNTs'leri üç boyutlu ağlara (örneğin, aerogels, köpükler, süngerler) toz işleme ihtiyacı olmadan yüksek yüzey alanı sağlarken, araştırmacıların desteklediği gibi, Pd nanopartiküller, sürekli akış katalizasyonu ile destekleyebilirler.

Makine Öğrenme ve Yüksek-Throughput Ekran

Geniş parametre alanı, işlevselleşme ve katalitik koşullara göre, hesaplama yöntemleri, bir sonraki nesil karbon destekli katalizörlerin keşfine yönelik olarak daha iyi metal destekli kombinasyonu tahmin edebilir.DFT hesaplamaları ile birlikte, bağlayıcı enerjiler ve reaksiyon engelleri ortaya koyan bir araya getirerek, bu yaklaşımlar bir sonraki nesil karbon destekli katalizörlerin keşfine yol açabilir.

Ticarileştirme ve Endüstri Uptake

Birkaç şirket zaten yakıt hücresi elektrotları için ticarileştirilmiş grafiklere veya CNT-supported katalizörlere sahiptir. Örneğin, [[FONT:0)Tanami), üretim maliyetlerinin azaltılması ve kalitesinin artırılması, büyük miktarda yakıt hücresi elektrotlar için kabul edilmesi, ancak nanomalzemeler için geliştirilmiştir.

Sonuç olarak, grafikene ve karbon nanotüpler, düşük maliyetliliğe ilişkin katalizör kavramını değiştirdiler, ancak sentezde aktif katılımcılara yönelik araştırmalar sürekli olarak bu engellerin üstesinden geliyor. Alan olgunlar, iletkenlik, istikrar ve tonability, bir sonraki katalitik teknolojilerle ilgili merkezi bir rol oynamaya hazır, daha temiz enerji, yeşil kimyasal süreçler ve daha etkili çevresel koruma sağlar.

[[0|kaynaklar ve Okuma[[Dönler: 1)

  • Zhu, Y. et al. (2010). Graphene ve Graphene Oksit: Synthesis, Özellikler ve Uygulamaları.]Üye Olmayanlar [Döneticiler:0) İleri Malzemeler[DüzT:1). DOI: 10.1002/adma.201001068686868
  • De Volder, M. F. L. et al. (2013). Karbon Nanotüpler: Present and Future Commercial Applications.ETHFLT:0) Bilim). DOI: 10.1126/bilim.12224535353
  • [FONT=0)Dai, L. (2017). Karbon bazlı Metal-Free Catalysts for Electrocatized.ETHFLT:1),Chemical Communications[D:2).
  • [0]Fei, H. ve al. (2018). Tek-Atom Electrocatalysts for the Oksijen Reaksiyon.urs # 1) Yorumlar Malzemeler).