Evelyn Wang(左)和Heena Mutha研發(fā)了一種無損檢測(cè)碳納米管(CNT)樣品的詳細(xì)特征方法，這是一種很有價(jià)值的工具，可以在各種各樣的實(shí)際設(shè)備中作為電極來優(yōu)化這些材料。
目前，麻省理工學(xué)院的研究小組已經(jīng)開發(fā)出一種方法來幫助我們。通過將簡(jiǎn)單的基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)與多孔材料的相關(guān)模型結(jié)合起來，研究人員發(fā)現(xiàn)他們可以將碳納米管樣品的形貌進(jìn)行量化，而不會(huì)在試驗(yàn)過程中破壞它。
在一系列的試驗(yàn)測(cè)試中，研究人員證實(shí)了他們改進(jìn)的模型可以在不同條件下重現(xiàn)對(duì)碳納米管樣品的關(guān)鍵測(cè)量。他們現(xiàn)在正在使用他們的方法來確定樣品的詳細(xì)參數(shù)，包括相鄰納米管的間距，以及用于快速淡化含鹽水裝置碳納米管電極的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
研發(fā)儲(chǔ)能裝置和脫鹽系統(tǒng)的共同挑戰(zhàn)是找到一種將帶電粒子轉(zhuǎn)移到物體表面并暫時(shí)存儲(chǔ)在其表面上的方法。例如，在電容器中電解質(zhì)中的離子必須在設(shè)備正在充電時(shí)沉積，并且隨后應(yīng)在電力輸送時(shí)釋放。 在海水淡化過程中，溶解的鹽必須被收集并保持，直到凈化后的水排出來為止。
實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的一種方法是將電極浸入電解質(zhì)或鹽水中，然后對(duì)設(shè)備系統(tǒng)施加電壓。 所產(chǎn)生的電場(chǎng)會(huì)使得帶電粒子附著在電極表面。 當(dāng)電壓被切斷時(shí)，粒子就會(huì)立即自由移動(dòng)。
設(shè)備性能的設(shè)計(jì)
“很多研究都在于盡量確定碳納米管形態(tài)如何影響各種應(yīng)用中的電極性能，”機(jī)械工程專業(yè)教授Evelyn Wang說。“但根本的問題是‘我們?nèi)绾斡枚康姆椒▉砻枋鲞@些很有發(fā)展前景的電極材料，從而研究納米尺度的間距等細(xì)節(jié)所起的作用?’”
上圖為碳納米管涂層的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。 這些圖像顯示不同體積分?jǐn)?shù)的一大片碳納米管樣品。 左上方是制成的樣品，體積分?jǐn)?shù)為1%(意味著總體積的1%被納米管占據(jù))。 其他圖像顯示濃度分?jǐn)?shù)為2%，5%和10%的密度較大的樣品。 每個(gè)圖像上的比例尺是500納米。 資料來源：麻省理工學(xué)院
在過去的兩年里，王和Mutha一直在尋找更好的試驗(yàn)選擇。Mutha說:“我們想開發(fā)一種不會(huì)產(chǎn)生破壞性的方法，將簡(jiǎn)單的電化學(xué)實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型結(jié)合起來，讓我們可以計(jì)算出碳納米管的間距。”“然后我們可以估算出碳納米管的孔隙度，而不破壞它的結(jié)構(gòu)。”
改變傳統(tǒng)的模式
電化學(xué)阻抗譜法是研究多孔電極的一種廣泛應(yīng)用的方法。它包括在一段時(shí)間間隔(頻率)下的電化學(xué)電池在電極上施加脈沖電壓，同時(shí)監(jiān)測(cè)“阻抗”，這是一種依賴于可用存儲(chǔ)空間和流動(dòng)阻力的測(cè)量方法。不同頻率的阻抗測(cè)量被稱為“頻率響應(yīng)”。
描述多孔介質(zhì)的傳統(tǒng)模型使用該頻率響應(yīng)來計(jì)算多孔材料中存在多少空隙。 “所以我們應(yīng)該能夠使用[模型]來計(jì)算碳納米管電極的碳納米管的空間，”Mutha說。
傳統(tǒng)的多孔介質(zhì)模型-為傳統(tǒng)材料(如活性碳)的研究而設(shè)計(jì)- 將所有空隙描述為圓柱形開口，如最左邊的圖所示。 在碳納米管材料中，開孔取代了固體柱之間的空隙，而定義的幾何形狀取決于在重復(fù)單元中堆積在一起的碳納米管的數(shù)量，如其他四幅圖所示。 資料來源：麻省理工學(xué)院
但是有一個(gè)問題：這個(gè)模型假定所有的孔都是均勻的圓柱形空隙。 但是這個(gè)描述不適合用碳納米管制成的電極。 Mutha修改模型來更準(zhǔn)確地將碳納米管材料中的孔定義為圍繞圓柱體的空隙。 雖然其他人也改變了傳統(tǒng)的模式，但Mutha進(jìn)一步采取了她的改變。碳納米管材料中的納米管不可能被均勻地包裝，所以她在她的方程中加入了解釋納米管之間間距變化的能力。 通過這種改進(jìn)的模型，Mutha可以從實(shí)際樣本中分析EIS數(shù)據(jù)來計(jì)算碳納米管間距。
使用模型
為了測(cè)試樣品的頻率響應(yīng)，她使用了一個(gè)裝有三個(gè)電極的玻璃燒杯，浸泡在電解液中。 一個(gè)電極是碳納米管涂層的樣品，另外兩個(gè)用于監(jiān)測(cè)電壓并吸收和測(cè)量電流。 使用這種設(shè)置，她首先測(cè)量了每個(gè)樣品的電容量，這表面可以在給定的恒定電壓下每平方厘米表面積可存儲(chǔ)多少電荷。然后，她對(duì)樣本進(jìn)行EIS試驗(yàn)測(cè)試，并使用改良后的多孔介質(zhì)模型分析結(jié)果。
三個(gè)體積分?jǐn)?shù)測(cè)試結(jié)果顯示相同的趨勢(shì)。當(dāng)電壓脈沖變得不太頻繁時(shí)，曲線開始以大約45度的斜率上升。 但在某一點(diǎn)上，每一個(gè)方向都沿著垂直方向移動(dòng)，電阻變得恒定，阻抗繼續(xù)上升。
為了研究波紋所起的作用，Mutha將她的研究結(jié)果假設(shè)在不同程度的波動(dòng)條件下與Stein的研究結(jié)果進(jìn)行了比較。 在體積分?jǐn)?shù)較高的情況下，如果波動(dòng)很小或沒有波動(dòng)，EIS變化與模擬結(jié)果最接近。 但是在低體積分?jǐn)?shù)的情況下，最接近的匹配來自假定高度波動(dòng)的模擬。
通過這些研究發(fā)現(xiàn)，Mutha總結(jié)說，至少在某些情況下，進(jìn)行EIS分析時(shí)應(yīng)考慮到波動(dòng)因素。她說：“為了準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)稀疏型碳納米管電極的元件性能，我們可能由于碳納米管的波動(dòng)，需要建模出具有廣泛間隔分布的電極。“在較高的體積分?jǐn)?shù)中，波動(dòng)效應(yīng)可以忽略不計(jì)，系統(tǒng)可以被建模成簡(jiǎn)單的柱型。”
研究人員的無損定量技術(shù)為設(shè)備設(shè)計(jì)人員提供了一個(gè)有價(jià)值的新工具，用于優(yōu)化多孔電極的形態(tài)，并且可以適用于廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。 Mutha和王已經(jīng)用它來預(yù)測(cè)超級(jí)電容器和海水淡化系統(tǒng)的性能。 最近的工作集中在設(shè)計(jì)一種高性能的便攜式設(shè)備，可以用于咸水的迅速淡化。 迄今為止的結(jié)果表明，使用他們的方法不僅優(yōu)化碳納米管電極和整個(gè)裝置設(shè)計(jì)，還可以使裝置系統(tǒng)的鹽吸附能力增加一倍，同時(shí)加快了產(chǎn)生凈化水的速度。
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