تخزين الطاقة هو مطلب رئيسي للتقنيات الناشئة القابلة للارتداء، حيث يتضمن التقدم الأخير في هذا الاتجاه تطوير البطاريات والمكثفات القائمة على الألياف وحتى بعض الأمثلة على هذه الألياف المدمجة في المنسوجات النموذجية، وتعد القدرة على التحكم في الخصائص الفيزيائية والميكانيكية والكهربائية والكهروكيميائية للألياف القائمة على الأنابيب النانوية الكربونية واعدة جدًا لتطوير بنية بوليمرية ذكية كمواد لتخزين الطاقة بما في ذلك الألياف والمنسوجات.
مكثف ألياف الكربون النانوي الفائق كمخزن للطاقة
يعتبر المكثف الفائق كواحد من أكثر تقنيات تخزين الطاقة الواعدة مع سرعة تفريغ شحن عالية نسبيًا وكثافة طاقة تم بحثها على نطاق واسع، حيث يمكن دمج المكثفات الفائقة القائمة على الألياف بسهولة في الملابس الذكية بسبب نعومة أقطاب الألياف أو قابليتها للتريكو أو قابليتها للتلف، إذ يعد اختيار المواد أمرًا مهمًا لتصنيع قطب من الألياف، والذي يمكن أن يؤثر على الخصائص الكهروكيميائية للجهاز من الألياف والغزول أحادية البعد إلى الأقمشة ثنائية أو ثلاثية الأبعاد.
يمكن استخدام العديد من المواد الخام بما في ذلك المواد الطبيعية والاصطناعية كمواد كهربائية للمكثفات الفائقة المرنة في الأجهزة القابلة للارتداء، حيث يمكن أن يعكس تطوير مواد الإلكترو للمكثفات الفائقة القائمة على الألياف قيمة التطبيق العملي في الجوانب الثلاثة التالية:
- تنوع مواد الألياف، والتي يمكن استخدامها لتطوير المكثفات الفائقة بخصائص مختلفة لتعويض الاختلافات بين المواد.
- يمكن أن تدرك المزايا الهيكلية للألياف المرونة في الاتجاه ثلاثي الأبعاد للتكيف مع مجموعة متنوعة من تصميمات المنتجات، ويمكن أيضًا تصنيعها في أقمشة ذات قابلية جيدة للارتداء عن طريق تكنولوجيا النسيج التقليدية.
- على أساس تقنيات النسيج الحالية، يمكن للإنتاج الضخم للألياف أن يعزز بشكل أساسي تصنيع أجهزة تخزين الطاقة المرنة، حيث تم إثبات أن ألياف الأنابيب النانوية الكربونية التي تعمل كموصل وركيزة تتمتع بمرونة فائقة وصلابة، بالإضافة إلى سهولة المعالجة اللاحقة للاندماج مع المواد الفعالة مقارنة بالأسلاك المعدنية.
قام العلماء بإجراء عمليات وأساليب جديدة مستخدمة لتصنيع الألياف المكونة من الأنابيب النانوية الكربونية ومواد الطاقة النانوية الإضافية لتصنيع المكثف الفائق القائم على الألياف.
كيفية توليف أنابيب الكربون النانوية
تم اكتشاف الأنابيب النانوية الكربونية (CNT) في التسعينيات، حيث تم استخدامها في مجموعة متنوعة من التطبيقات مثل المشغلات والعضلات الاصطناعية والدروع الكهرومغناطيسية خفيفة الوزن، وتستخدم طرق تحضير الأنابيب النانوية الكربونية الطاقة بشكل أساسي لتحليل مصدر الكربون إلى أشكال ذرية أو أيونية، ثم تكثيفها في بنية أحادية البعد من الكربون.
في الوقت الحاضر تم استخدام ثلاث طرق تصنيع شائعة للحصول على أنابيب نانوية كربونية واسعة النطاق وهي طريقة تفريغ القوس، وطريقة الاستئصال بالليزر وطريقة ترسيب البخار الكيميائي (CVD)، وتختلف (CNT) المحضرة بطرق مختلفة اختلافًا كبيرًا فيما يتعلق ببنيتها وخصائصها.
بشكل عام، الأنابيب النانوية الكربونية المحضرة بطريقة التفريغ القوسي وطريقة الاستئصال بالليزر تتميز بدرجة عالية من التبلور والاستقامة، ولكن هذه الطرق تعاني من انخفاض العائد، إذ حققت (CVD) إنتاجًا صناعيًا للأنابيب النانوية الكربونية.
ومع ذلك، نظرًا لانخفاض درجة حرارة النمو، فإن الأنابيب النانوية الكربونية المحضرة لديها درجة رديئة من الجرافيت مع وجود العديد من العيوب على الأطراف والأسطح، وفي عملية التحضير غالبًا ما يتم إدخال جزيئات المحفز، والتي يصعب إزالتها وتؤثر على الخصائص والتطبيقات الأخرى للأنابيب النانوية الكربونية.
طريقة تفريغ القوس في توليف أنابيب الكربون النانوية
في طريقة تفريغ القوس، تملأ غرفة تفاعل الفراغ بغاز خامل أو هيدروجين، حيث يعمل قضبان من الجرافيت ككاثود وأنود على التوالي، ويتم تطبيق جهد تيار مستمر على قطب الجرافيت مما يؤدي إلى قوس كهربائي قوي، وأثناء تفريغ القوس يتم تبخير قضيب الجرافيت الخاص بالأنود باستمرار عند درجة حرارة عالية ويتم إنشاؤها بواسطة القوس.
ويتم بعد ذلك ترسيب المنتج المحتوي على الأنابيب النانوية الكربونية على الكاثود، وبشكل عام يكون نقاء وإنتاج الأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدران (MWNTs) عرضة للضغط الداخلي لوعاء التفاعل، قام العالم شيموتاني وآخرون، ووجدوا أن محصول (MWNTs) يزداد مع زيادة ضغط الغاز في وعاء التفاعل الذي يتراوح من (150 إلى 400 Torr) لجميع الغازات العضوية.
بالإضافة إلى تفريغ القوس المستمر، حيث يمكن أيضًا استخدام الأقواس النبضية لإعداد (MWNTs) في الغلاف الجوي، وعلاوة على ذلك أظهرت بعض التقارير أنه يمكن تحضير (MWNTs) عالية النقاء على نطاق واسع في الغازات السائلة مثل النيتروجين السائل.
كيف يتم تحضير (MWNTs) بطريقة تحفيز القوس: يتطلب تحضير (MWNTs) بطريقة تفريغ القوس عادةً محفزًا معدنيًا انتقاليًا، ويكون الأنود عمومًا مصنوعًا من مادة مركبة، مثل الجرافيت المركب مع معدن تجاري مثل Ni أو Fe أو Co أو Ag أو Pt أو مركب من اثنين المعادن مثل Co-Ni، وFe-Ni، وFe-No، وCo-Cu، و Ni-Cu، وما إلى ذلك، ومن أجل ضمان الكفاءة العالية للإنتاج، من الضروري ضمان كثافة تيار ثابتة ومعدل استهلاك الأنود أثناء عملية التفاعل بحيث يجب الحفاظ على تباعد ثابت بين الأقطاب الكهربائية.
وعلى الرغم من أن إنتاج الأنابيب النانوية الكربونية بطريقة تفريغ القوس أصبح تدريجياً أكثر نضجًا من خلال تعديل شروط التحضير من حيث المحفز وحجم القطب وتباعد الأقطاب الكهربائية وأنواع المواد الخام، إلا أن إنتاج الأنابيب النانوية الكربونية التي تنتجها هذه الطريقة نسبيًا منخفضة بسبب الصعوبات في التحكم في القوس الكهربائي وارتفاع تكلفة التصنيع.
طريقة الاجتثاث بالليزر في توليف أنابيب الكربون النانوية
يمكن تحضير (SWNTs) عالية الجودة وعالية النقاء باستخدام الاستئصال بالليزر، والذي اقترحه فريق سمالي لأول مرة في عام 1995، ومع مبدأ وآلية مماثلة لطريقة تفريغ القوس تُظهر الأنابيب النانوية الكربونية الناتجة عن طريقة الاستئصال بالليزر درجة تبلور واستقامة عالية نسبيًا.
وفي هذه الطريقة يتم توليد الطاقة عن طريق ضرب هدف من الجرافيت يحتوي على مواد محفزة مثل النيكل والكوبالت بطول موجي محدد من الليزر، إذ يتم أولاً معالجة المعادن الانتقالية مثل Fe و Co و Ni كمحفز في هدف الجرافيت وتوضع في المفاعل.
ويتم قصف سطح الهدف بالليزر عندما تصل درجة حرارة التفاعل إلى 2000 درجة مئوية تحت حماية غاز خامل مثل (He)، ويتم جلب الكربون الغازي وجزيئات المحفز المتكونة من منطقة درجة الحرارة المرتفعة إلى منطقة درجة الحرارة المنخفضة بواسطة تدفق الغاز، وفي ذلك الوقت تتصادم الكربون الغازي مع بعضها البعض لتشكيل أنابيب نانوية كربونية في الغاز الحامل تحت تأثير المحفز.
يتأثر أداء الأنابيب النانوية الكربونية المحضرة عن طريق الاستئصال بالليزر بشكل أساسي بالمعلمات التالية، مثل معلمات الليزر، وهي تدفق الطاقة وطاقة الذروة والموجة المستمرة وموجة النبض ومعدل التكرار وطول موجة التذبذب والضغط وتكوين المواد لغرفة الاحتراق والهيكل والمواد الكيميائية وتكوين المادة المستهدفة وتدفق وضغط الغاز العازل والتباعد بين المادة المستهدفة والمصفوفة ودرجة حرارة المصفوفة والمحيط.
طريقة ترسيب البخار الكيميائي في توليف أنابيب الكربون النانوية
اجتذبت طريقة الأمراض القلبية الوعائية اهتمامًا كبيرًا من قبل الباحثين، حيث تستخدم هذه الطريقة أساسًا مادة هيدروكربونية كمصدر كربوني ليتم تشققها في مجموعات كربون على سطح جزيئات المحفز ثم إعادة تجميعها عندما يكون غاز مصدر الكربون على اتصال بالمحفز في أنبوب الكوارتز عند درجة حرارة مناسبة.
إذ يستخدم بشكل عام معدن انتقالي مثل الحديد والكوبالت والنيكل والموليبدينوم والنيوبيوم والتنتالوم كمحفز، حيث أظهرت النتائج التجريبية أن حجم جسيمات المحفز المعدني يحدد بشكل أساسي القطر الداخلي والخارجي للأنابيب النانوية الكربونية، لذلك يمكن زراعة الأنابيب النانوية الكربونية ذات النقاوة الأعلى وتوزيع الحجم المنتظم عن طريق التحكم الانتقائي في نوع وحجم الجسيمات للمحفز.
وهناك طرق أخرى كثيرة لتوليف أنابيب الكربون النانوية، وهي ألياف الكربون النانوية وألياف (CNT) المغزولة الرطبة وألياف (CNT) المغزولة ذات الحالة الصلبة ومواد الطاقة ذات البنية النانوية في الألياف والغزل المشترك وطلاء بالغمس والترسيب الكهروكيميائي.
