Применение нанотрубок для аккумулирования водорода

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

Южно  – Казахстанский Государственный  Университет имени М. Ауезова 
 
 

Кафедра: «Технология нефти, газа и полимеров» 
 
 
 
 

Кейс  – технология 

Тема: «Применение нанотрубок для аккумулирования водорода» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ШЫМКЕНТ – 2011

Составил: Степанов С. 
 
 

В данном кейсе  последовательно представлена технология работы с кейсом на лекционных, практических и лабораторных занятиях по теме: «Применение нанотрубок для аккумулирования водорода». Проблемные ситуации подготовлены для обсуждения в группе.

  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Содержание  кейс – технологии

1. Учебная деятельность  в кейс – методе

2. Углеродные нанотрубки

2.1 Структура нанотрубок

2.2 Одностенные нанотрубки

2.3 Многостенные  нанотрубки

2.4 Структурные свойства

2.5 Возможные применения нанотрубок

2.6 Токсичность нанотрубок

3.Применеиие нотехнологий

3.1 Перспективы  применения нанотехнологий в  энергетике

3.2 Водород

3.3 Производство  водорода

3.4 Аккумулирование водорода в углеродных нанотрубках: перспективы использования в топливных элементах

 

4. Проблемные ситуации в проведении процесса

5. Дискуссия между преподавателем и студентами (перечень вопросов к конкретной ситуации)

6.Выявление логического мышления студента и его знаний

7.Выводы 

8.Стратегии изменений

9. Список литературы 
 
 
 
 
 
 
 

1. Учебная деятельность в кейс – методе

    Особенности разбора кейса (в переводе с англ. – «случай, обстоятельство, дело»), является выявлением ключевой проблемы, отбор необходимой информации и выбор метода работы (применение специфических понятий по рассматриваемому процессу и оценка альтернативного образа действий).

    В дискуссии: преподаватель – студент, либо студент – студент, либо преподаватель – группа студентов, важно выявить основные пути решения получения стандартных фракций из сырья различной природы, выбранным промышленным методом, а также всесторонне рассмотреть каким образом состав нефти может повлиять на выход стандартных фракций и их химический состав, какие трудности могут возникнуть при решении этой проблемы.

    Для эффективности анализа вариантов  решения проблемы хорошо подкрепить в дискуссии  теоретическими положениями  или из практического опыта.

2. Углеродные нанотрубки

Углеродные  нанотрубки — это протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров, состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей и заканчивающиеся обычно полусферической головкой, которая может рассматриваться как половина молекулы фуллерена.

2.1 Структура нанотрубок

    Идеальная нанотрубка представляет  собой свёрнутую в цилиндр графитовую плоскость, то есть поверхность, выложенную правильными шестиугольниками, в вершинах которых расположены атомы углерода. Результат такой операции зависит от угла ориентации графитовой плоскости относительно оси нанотрубки. Угол ориентации, в свою очередь, задаёт хиральность нанотрубки, которая определяет, в частности, её электрические характеристики.

    Хиральность нанотрубок обозначается набором символов (m, n), указывающих координаты шестиугольника, который в результате сворачивания плоскости должен совпадать с шестиугольником, находящимся в начале координат.

    Другой способ обозначения хиральности состоит в указании угла α между направлением сворачивания нанотрубки и направлением, в котором соседние шестиугольники имеют общую сторону. Однако в этом случае для полного описания геометрии нанотрубки необходимо указать её диамет. Индексы хиральности однослойной нанотрубки (m, n) однозначным образом определяют её диаметр D. Указанная связь имеет следующий вид:

где d₀ = 0,142 нм — расстояние между соседними атомами углерода в графитовой плоскости. Связь между индексами хиральности (m, n) и углом α даётся соотношением:

    Среди различных возможных направлений  сворачивания нанотрубок выделяются  те, для которых совмещение шестиугольника (m, n) с началом координат не  требует искажения его структуры.  Этим направлениям соответствуют,  в частности, углы α = 0 (armchair конфигурация) и α = 30° (zigzag конфигурация). Указанные конфигурации отвечают хиральностям (m, 0) и (2n, n) соответственно.

2.2 Одностенные нанотрубки

    Структура одностенных (single-walled) нанотрубок, наблюдаемых экспериментально, во многих отношениях отличается от представленной выше идеализированной картины.     Прежде всего это касается вершин нанотрубки, форма которых, как следует из наблюдений, далека от идеальной полусферы.

    Особое место среди одностенных  нанотрубок занимают так называемые armchair-нанотрубки или нанотрубки с хиральностью (10, 10). В нанотрубках такого типа две из С-С-связей, входящих в состав каждого шестичленного кольца, ориентированы параллельно продольной оси трубки. Нанотрубки с подобной структурой должны обладать чисто металлической структурой.

2.3 Многостенные нанотрубки

    Многостенные (multi-walled) нанотрубки отличаются от одностенных значительно более широким разнообразием форм и конфигураций. Разнообразие структур проявляется как в продольном, так и в поперечном направлении.

    Структура типа «русской матрёшки»  (russian dolls) представляет собой совокупность коаксиально вложенных друг в друга цилиндрических трубок. Другая разновидность этой структуры представляет собой совокупность вложенных друг в друга коаксиальных призм. Наконец, последняя из приведённых структур напоминает свиток (scroll). Для всех структур на рис. характерно значение расстояния между соседними графитовыми слоями, близкое к величине 0,34 нм, присущей расстоянию между соседними плоскостями кристаллического графита.

    Реализация той или иной структуры  многостенных нанотрубок в конкретной  экспериментальной ситуации зависит  от условий синтеза. Анализ имеющихся экспериментальных данных указывает, что наиболее типичной структурой многостенных нанотрубок является структура с попеременно расположенными по длине участками типа «русской матрёшки» и «папье-маше». При этом «трубки» меньшего размера последовательно вложены в трубки большего размера^[7]. В пользу такой модели говорят, например, факты по интеркалированию калия или хлорида железа в «межтрубочное» пространство и образование структур типа «бусы».

2.4 Структурные свойства

 

• упругие свойства; дефекты при превышении критической  нагрузки:

    в большинстве случаев представляют собой разрушенную ячейку-гексагон решётки — с образованием пентагона или септагона на её месте. Из специфических особенностей графена следует, что дефектные нанотрубки будут искажаться аналогичным образом, то есть с возникновением выпуклостей (при 5-и) и седловидных поверхностей (при 7-и). Наибольший же интерес в данном случае представляет комбинация данных искажений, особенно расположенных друг напротив друга — это уменьшает прочность нанотрубки, но формирует в её структуре устойчивое искажение, меняющее свойства последней: иными словами, в нанотрубке образуется постоянный изгиб.

• открытые и закрытые нанотрубки

2.5 Возможные применения нанотрубок

• Механические  применения: сверхпрочные нити, композитные материалы, нановесы.
• Применения в микроэлектронике: транзисторы, нанопровода, прозрачные проводящие поверхности, топливные элементы.
• Для создания соединений между биологическими нейронами и электронными устройствами в новейших нейрокомпьютерных разработках.
• Капиллярные применения: капсулы для активных молекул, хранение металлов и газов, нанопипетки.
• Оптические применения: дисплеи, светодиоды.
• Медицина (в стадии активной разработки).
• Одностенные нанотрубки (индивидуальные, в небольших сборках или в сетях) являются миниатюрными датчиками для обнаружения молекул в газовой среде или в растворах с ультравысокой чувствительностью — при адсорбции на поверхности нанотрубки молекул её электросопротивление, а также характеристики нанотранзистора могут изменяться. Такие нанодатчики могут использоваться для мониторинга окружающей среды, в военных, медицинских и биотехнологических применениях.
• Трос для космического лифта, так как нанотрубки теоретически, могут держать и больше тонны… но только в теории. Потому как получить достаточно длинные углеродные трубки с толщиной стенок в один атом не удавалось до сих пор^[18].
• Листы из углеродных нанотрубок можно использовать в качестве плоских прозрачных громкоговорителей, к такому выводу пришли китайские учёные^[19]

2.6 Токсичность нанотрубок

    Результаты экспериментов, проведённых в последние годы, показали, что длинные многостенные углеродные нанотрубки (МНТ) могут вызвать отклик, аналогичный асбестовым волокнам. У людей, занятых на добыче и переработке асбеста, вероятность возникновения опухолей и рака лёгких в несколько раз больше, чем у основного населения. Канцерогенность волокон разных видов асбеста весьма различна и зависит от диаметра и типа волокон. Благодаря своему малому весу и размерам, углеродные нанотрубки проникают в дыхательные пути вместе с воздухом. В итоге они концентрируются в плевре. Мелкие частицы и короткие нанотрубки выходят через поры в грудной стенке (диаметр 3-8 мкм), а длинные нанотрубки могут задерживаться и со временем вызвать патологические изменения.

Сравнительные эксперименты по добавке одностенных углеродных нанотрубок (ОНТ) в пищу мышей показали отсутствие заметной реакции последних в случае нанотрубок с длиной порядка микрон. Тогда как использование укороченных ОНТ с длиной 200-500 нм приводило к «впиванию» нанотрубок-игл в стенки желудка.

3.1 Перспективы применения нанотехнологий в энергетике

    Нанотехнологии являются одним из наиболее динамично развивающихся сегментов мирового рынка инновационных материалов.

 
    Согласно оценкам отраслевых экспертов и аналитиков компании Abercade, основными перспективными сферами применения нанотехнологий являются автомобильная промышленность, доля которой в структуре потребления нанопродуктов в ближайшее время составит порядка 25%, а также здравоохранение (22%) и аэрокосмические технологии (порядка 17%).

 
    Однако особые надежды специалисты связывают с массовым использованием нанопродуктов в сфере энергетики. Ожидается, что уже в ближайшей перспективе на энергетику будет приходиться порядка 13% мирового потребления нанопродуктов, а в обозримом будущем разработки в сфере нанотехнологий помогут совершить революционный скачок в развитии технологий получения и преобразования энергии. 

 

Прогнозируемая  структура мирового рынка нанотехнологий

    Одной из ключевых областей использования нанотехнологий в энергетике будет являться создание батарей нового поколения. Основные исследования в данной сфере сегодня сконцентрированы на решении задач повышения плотности энергетического потока, снижения продолжительности  цикла зарядки батарей, уменьшения их габаритов и веса, а также повышения безопасности и стабильности работы.