Evelyn Wang(左)和Heena Mutha研發(fā)了一種無損檢測碳納米管(CNT)樣品的詳細特征方法，這是一種很有價值的工具，可以在各種各樣的實際設(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。通過將簡單的基準實驗與多孔材料的相關(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行量化，而不會在試驗過程中破壞它。
在一系列的試驗測試中，研究人員證實了他們改進的模型可以在不同條件下重現(xiàn)對碳納米管樣品的關(guān)鍵測量。他們現(xiàn)在正在使用他們的方法來確定樣品的詳細參數(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。
研發(fā)儲能裝置和脫鹽系統(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存儲在其表面上的方法。例如，在電容器中電解質(zhì)中的離子必須在設(shè)備正在充電時沉積，并且隨后應(yīng)在電力輸送時釋放。 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。
實現(xiàn)這些目標的一種方法是將電極浸入電解質(zhì)或鹽水中，然后對設(shè)備系統(tǒng)施加電壓。 所產(chǎn)生的電場會使得帶電粒子附著在電極表面。 當電壓被切斷時，粒子就會立即自由移動。
設(shè)備性能的設(shè)計
“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數(shù)的一大片碳納米管樣品。 左上方是制成的樣品，體積分數(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數(shù)為2%，5%和10%的密度較大的樣品。 每個圖像上的比例尺是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選擇。Mutha說:“我們想開發(fā)一種不會產(chǎn)生破壞性的方法，將簡單的電化學(xué)實驗和數(shù)學(xué)模型結(jié)合起來，讓我們可以計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，同時監(jiān)測“阻抗”，這是一種依賴于可用存儲空間和流動阻力的測量方法。不同頻率的阻抗測量被稱為“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- 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
但是有一個問題：這個模型假定所有的孔都是均勻的圓柱形空隙。 但是這個描述不適合用碳納米管制成的電極。 Mutha修改模型來更準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。 通過這種改進的模型，Mutha可以從實際樣本中分析EIS數(shù)據(jù)來計算碳納米管間距。
使用模型
為了測試樣品的頻率響應(yīng)，她使用了一個裝有三個電極的玻璃燒杯，浸泡在電解液中。 一個電極是碳納米管涂層的樣品，另外兩個用于監(jiān)測電壓并吸收和測量電流。 使用這種設(shè)置，她首先測量了每個樣品的電容量，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多少電荷。然后，她對樣本進行EIS試驗測試，并使用改良后的多孔介質(zhì)模型分析結(jié)果。
三個體積分數(shù)測試結(jié)果顯示相同的趨勢。當電壓脈沖變得不太頻繁時，曲線開始以大約45度的斜率上升。 但在某一點上，每一個方向都沿著垂直方向移動，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)在不同程度的波動條件下與Stein的研究結(jié)果進行了比較。 在體積分數(shù)較高的情況下，如果波動很小或沒有波動，EIS變化與模擬結(jié)果最接近。 但是在低體積分數(shù)的情況下，最接近的匹配來自假定高度波動的模擬。
通過這些研究發(fā)現(xiàn)，Mutha總結(jié)說，至少在某些情況下，進行EIS分析時應(yīng)考慮到波動因素。她說：“為了準確地預(yù)測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，需要建模出具有廣泛間隔分布的電極。“在較高的體積分數(shù)中，波動效應(yīng)可以忽略不計，系統(tǒng)可以被建模成簡單的柱型。”
研究人員的無損定量技術(shù)為設(shè)備設(shè)計人員提供了一個有價值的新工具，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)測超級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裝置設(shè)計，還可以使裝置系統(tǒng)的鹽吸附能力增加一倍，同時加快了產(chǎn)生凈化水的速度。
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