對奈米碳管進行EIS實驗的Heena Mutha Photo: Stuart Darsch

多孔性材料(porous material)內部的空隙代表廣大的表面積,為散熱或化學反應等可由增加表面積來提高效率的工程應用提供一研究的方向。利用碳導電的特性,將奈米碳管(carbon nanotubes, CNTs)製成多孔性材料再當作電極可以顯著地提升電容、電池到淡化系統等各類設備的效能,但是要找出可最大化效益的垂直排列特徵非常困難。

MIT 的研究人員結合簡單的實驗和一個描述多孔性材料的模型,開發出能夠量化奈米碳管樣本型態(morphology)的非破壞性方法。在一系列測試中研究者們確認了修正模型能夠在多種情況下得知樣本的關鍵數據。他們現在正使用該方法來判斷奈米碳管的間距,用以優化快速淡化鹼水(brackish water)的設備中奈米碳管電極的設計。

開發儲能設備和淡化系統常見的挑戰是找到一個能夠轉移帶電粒子到平面上暫時儲存的方法,例如電容在充電時必須儲存離子;放電時又要釋放離子。而淡化過程中則是必須侷限住溶解的鹽類離子直到分離出淡水。能達到目標的方法之一是將電極浸入電解質或是鹽水中然後施加電壓,產生的電場會讓帶電粒子附著在電極的表面,斷電後粒子便會脫離。

「不管是鹽類或其他的帶電粒子,都是在吸附與解吸附(adsorp)。所以設備中的電極要有很大的表面積與開放的出入口才能夠讓攜帶粒子的電解質或鹽水易於進出。」查爾斯·斯塔克·德雷珀實驗室(Charles Stark Draper Laboratory)的資深技術人員,赫納.馬沙(Heena Mutha)解說。

新材料的挑戰

活性碳這類傳統多孔性材料不規則的大小與形狀使得物質進出困難。相較之下奈米碳管排列而成的「叢林」猶如對齊的柱狀物,既提供所需的表面積又有足夠開放的通道讓電解質和鹽水輕易觸及。

然而最佳化奈米碳管電極的設計相當棘手,實驗證據指出材料的型態--特別是奈米碳管排列的間距--對於設備的表現有直接的影響。在製作奈米碳管時提高碳濃度可以產生更緊密的叢林與大量的表面積,但超過一個濃度之後效果會開始下降,這或許是過度緊密的排列導致流通困難。

目前可以用掃描式電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)檢測樣本的切面,但是要量化間距卻是困難、耗時又不精準,多數多孔性材料適用的氣體吸附實驗對奈米碳管效果不佳,並且會損毀測試樣本。這促使研究人員開發可以結合簡單電化學實驗的非破壞性方法,輔以數學模型讓奈米碳管的間距可以被回推計算。

舊方法的改良

電化學阻抗頻譜法(Electrochemistry Impedance Spectroscopy, EIS)在多孔性材料的研究中被廣泛使用,對電極施加以某一頻率變化的電壓並觀察其阻抗(Impedance),阻抗受到可儲存的空間和流動阻力影響,而不同頻率下的阻抗量測值被稱為頻率響應(frequency response)。

可是用於一般多孔性材料的模型並不適用於奈米碳管,因為它假設孔隙都是規則的圓柱空洞。除了修改對孔隙的假設,馬沙更進一步在方程式中加入了代表間距變化的參數,這樣她就能透過 EIS 的數據計算奈米碳管的間距。

此一兼具非破壞性與量化的技術提供了設備開發者寶貴的新工具,近期該方法用在研發攜帶式的淡化設備上,經由同時最佳化奈米碳管電極與整體設備可以讓產量最高提升兩倍。

 

參考資料:

  1. MIT Energy Initiative, N. W. (2018, January 05). Optimizing carbon nanotube electrodes. Retrieved January 30, 2018.
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