Evelyn Wang(左)和Heena Mutha研發(fā)了一種無(wú)損檢測碳納米管(CNT)樣品的詳細特征方法，這是一種很有價(jià)值的工具，可以在各種各樣的實(shí)際設備中作為電極來(lái)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(kāi)發(fā)出一種方法來(lái)幫助我們。通過(guò)將簡(jiǎn)單的基準實(shí)驗與多孔材料的相關(guān)模型結合起來(lái)，研究人員發(fā)現他們可以將碳納米管樣品的形貌進(jìn)行量化，而不會(huì )在試驗過(guò)程中破壞它。
在一系列的試驗測試中，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對碳納米管樣品的關(guān)鍵測量。他們現在正在使用他們的方法來(lái)確定樣品的詳細參數，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)化設計。
研發(fā)儲能裝置和脫鹽系統的共同挑戰是找到一種將帶電粒子轉移到物體表面并暫時(shí)存儲在其表面上的方法。例如，在電容器中電解質(zhì)中的離子必須在設備正在充電時(shí)沉積，并且隨后應在電力輸送時(shí)釋放。 在海水淡化過(guò)程中，溶解的鹽必須被收集并保持，直到凈化后的水排出來(lái)為止。
實(shí)現這些目標的一種方法是將電極浸入電解質(zhì)或鹽水中，然后對設備系統施加電壓。 所產(chǎn)生的電場(chǎng)會(huì )使得帶電粒子附著(zhù)在電極表面。 當電壓被切斷時(shí)，粒子就會(huì )立即自由移動(dòng)。
設備性能的設計
“很多研究都在于盡量確定碳納米管形態(tài)如何影響各種應用中的電極性能，”機械工程專(zhuān)業(yè)教授Evelyn Wang說(shuō)。“但根本的問(wèn)題是‘我們如何用定量的方法來(lái)描述這些很有發(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的一大片碳納米管樣品。 左上方是制成的樣品，體積分數為1%(意味著(zhù)總體積的1%被納米管占據)。 其他圖像顯示濃度分數為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(lái)源：麻省理工學(xué)院
在過(guò)去的兩年里，王和Mutha一直在尋找更好的試驗選擇。Mutha說(shuō):“我們想開(kāi)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)驗和數學(xué)模型結合起來(lái)，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，而不破壞它的結構。”
改變傳統的模式
電化學(xué)阻抗譜法是研究多孔電極的一種廣泛應用的方法。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)監測“阻抗”，這是一種依賴(lài)于可用存儲空間和流動(dòng)阻力的測量方法。不同頻率的阻抗測量被稱(chēng)為“頻率響應”。
描述多孔介質(zhì)的傳統模型使用該頻率響應來(lái)計算多孔材料中存在多少空隙。 “所以我們應該能夠使用[模型]來(lái)計算碳納米管電極的碳納米管的空間，”Mutha說(shuō)。
傳統的多孔介質(zhì)模型-為傳統材料(如活性碳)的研究而設計- 將所有空隙描述為圓柱形開(kāi)口，如最左邊的圖所示。 在碳納米管材料中，開(kāi)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單元中堆積在一起的碳納米管的數量，如其他四幅圖所示。 資料來(lái)源：麻省理工學(xué)院
但是有一個(gè)問(wèn)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(lái)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(guò)這種改進(jìn)的模型，Mutha可以從實(shí)際樣本中分析EIS數據來(lái)計算碳納米管間距。
使用模型
為了測試樣品的頻率響應，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)用于監測電壓并吸收和測量電流。 使用這種設置，她首先測量了每個(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多少電荷。然后，她對樣本進(jìn)行EIS試驗測試，并使用改良后的多孔介質(zhì)模型分析結果。
三個(gè)體積分數測試結果顯示相同的趨勢。當電壓脈沖變得不太頻繁時(shí)，曲線(xiàn)開(kāi)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(zhù)垂直方向移動(dòng)，電阻變得恒定，阻抗繼續上升。
為了研究波紋所起的作用，Mutha將她的研究結果假設在不同程度的波動(dòng)條件下與Stein的研究結果進(jìn)行了比較。 在體積分數較高的情況下，如果波動(dòng)很小或沒(méi)有波動(dòng)，EIS變化與模擬結果最接近。 但是在低體積分數的情況下，最接近的匹配來(lái)自假定高度波動(dòng)的模擬。
通過(guò)這些研究發(fā)現，Mutha總結說(shuō)，至少在某些情況下，進(jìn)行EIS分析時(shí)應考慮到波動(dòng)因素。她說(shuō)：“為了準確地預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(dòng)，需要建模出具有廣泛間隔分布的電極。“在較高的體積分數中，波動(dòng)效應可以忽略不計，系統可以被建模成簡(jiǎn)單的柱型。”
研究人員的無(wú)損定量技術(shù)為設備設計人員提供了一個(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用領(lǐng)域。 Mutha和王已經(jīng)用它來(lái)預測超級電容器和海水淡化系統的性能。 最近的工作集中在設計一種高性能的便攜式設備，可以用于咸水的迅速淡化。 迄今為止的結果表明，使用他們的方法不僅優(yōu)化碳納米管電極和整個(gè)裝置設計，還可以使裝置系統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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