Absorption of atomic and molecular species in carbon cellular structures (Review Article)

Физика Низких Температур: Том 46, Выпуск 3 (Март 2020), c. 271-286 ( к оглавлению , назад )

Absorption of atomic and molecular species in carbon cellular structures (Review Article)

N.V. Krainyukova¹, B. Kuchta^2,3,4, L. Firlej^4,5, and P. Pfeifer⁴

¹B. Verkin Institute for Low Temperature Physics and Engineering of the National Academy of Sciences of Ukraine 47 Nauky Ave., Kharkiv 61103, Ukraine
E-mail: krainyukova@ilt.kharkov.ua

²Laboratoire Madirel, Aix Marseille University, CNRS, Marseille 13013, France
³Department of Chemistry, Wroclaw University of Science and Technology, Wroclaw 50-370, Poland

⁴Department of Physics and Astronomy, University of Missouri, Columbia MO 652011, USA
⁵Laboratoire Charles Coulomb, University of Montpellier, CNRS, Montpellier 34095, France

Received October 28, 2019, published online January 27, 2020

Анотація

Представлено короткий огляд останніх розробок в області поглинання атомарних та молекулярних речовин у вуглецевих коміркових структурах. Такі поглинальні об’єкти чітко виділяються з великого сімейства вуглецевих пористих матеріалів завдяки прогнозованій та вже спостереженій в експериментах дуже високій здатності до поглинання та збереження всередині різних речовин, які у звичайних умовах поза пористими матрицями часто існують лише у газоподібній формі. Висока здатність до адсорбції досягається завдяки одиночним графеновим стінкам, які розділяють сусідні комірки по всій структурі та забезпечують її малу вагу. Ці властивості коміркових структур роблять їх дуже перспективними для численних технологічних застосувань таких, як зберігання водню в паливних елементах та молекулярне просіювання у мембранах, які виготовлені з таких структур, а також для їх використання у мікроелектроніці, фотоелектроніці або виробництві літій-іонних батарей. Незалежно від цільових застосувань гази є хорошими кандидатами для зондування та вивчення самих вуглецевих матриць.

Ключові слова: вуглецеві стільники; адсорбати у вуглецевих коміркових структурах, ab initio розрахунки адсорбатних структур, дифракція високоенергетичних електронів.

References

1. N. V. Krainyukova and E. N. Zubarev, Phys. Rev. Lett. 116, 055501 (2016). CrossRef Google Scholar

2. A. V. Dolbin, V. B. Esel’son, V. G. Gavrilko, V. G. Manzhelii, N. A. Vinnikov, I. I. Yaskovets, I. Y. Uvarova, N. A. Tripachko, and B. A. Danilchenko, Fiz. Nizk. Temp. 39, 790 (2013) [Low Temp. Phys. 39, 610 (2013)]. CrossRef Google Scholar

3. A. V. Dolbin, V. B. Esel’son, V. G. Gavrilko, V. G. Manzhelii, N. A. Vinnikov, R. M. Basnukaeva, I. I. Yaskovets, I. Y. Uvarova, and B. A. Danilchenko, Fiz. Nizk. Temp. 40, 317 (2014) [Low Temp. Phys. 40, 246 (2014)]. CrossRef Google Scholar

4. N. V. Krainyukova, J. Low Temp. Phys. 187, 90 (2017). CrossRef Google Scholar

5. N. V. Krainyukova, Fiz. Nizk. Temp. 35, 385 (2009) [Low Temp. Phys. 35, 294 (2009)]. CrossRef Google Scholar

6. N. V. Krainyukova, Y. S. Bogdanov, and B. Kuchta, Fiz. Nizk. Temp. 45, 371 (2019) [Low Temp. Phys. 45, 325 (2019)]. CrossRef Google Scholar

7. Q. Yuan, H. Hu, J. Gao, F. Ding, Z. Liu, and B. I. Yakobson, J. Amer. Chem. Soc. 133, 16072 (2011). CrossRef Google Scholar

8. T. Kawai, S. Okada, Y. Miyamoto, and A. Oshiyama, Phys. Rev. B 72, 035428 (2005). CrossRef Google Scholar

9. Z. Zhang, A. Kutana, Y. Yang, N. V. Krainyukova, E. S. Penev, and B. I. Yakobson, Carbon 113, 26 (2017). CrossRef Google Scholar

10. A. Kuc and G. Seifert, Phys. Rev. B 74, 214104 (2006). CrossRef Google Scholar

11. A. Martínez-Mesa, L. Zhechkov, S. N. Yurchenko, T. Heine, G. Seifert, and J. Rubayo-Soneira, J. Phys. Chem. C 116, 19543 (2012). CrossRef Google Scholar

12. Z. Zhu and D. Tománek, Phys. Rev. Lett. 109, 135501 (2012). CrossRef Google Scholar

13. Z. Zhu, Z. G. Fthenakis, J. Guan, and D. Tománek, Phys. Rev. Lett. 112, 026803 (2014). CrossRef Google Scholar

14. T. Maciel, Physics 9, 16 (2016). CrossRef Google Scholar

15. B. E. Warren, X-Ray Diffraction (Addison-Wesley, Reading, MA, 1969). Google Scholar

16. Y. Wei and R. Yang, Natl. Sci. Rev. (Oxford 6, 324 (2019). CrossRef Google Scholar

17. Z. Pang, X. Gu, Y. Wei, R. Yang, and M. S. Dresselhaus, Nano Lett. 17, 179 (2017). CrossRef Google Scholar

18. Y. Gao, Y. Chen, C. Zhong, Z. Zhang, Y. Xiea, and S. Zhang, Nanoscale 8, 12863 (2016). CrossRef Google Scholar

19. X. Gua, Z. Pang, Y. Wei, and R. Yang, Carbon 119, 278 (2017). CrossRef Google Scholar

20. B. Morris, M. Becton, and X. Wang, Carbon 137, 196 (2018). CrossRef Google Scholar

21. H. Wang, Q. Cao, Q. Peng, and S. Liu, Nanomater. 9, 109 (2019). CrossRef Google Scholar

22. T. Tan, S.-Z. Chen, X.-H. Cao, W.-X. Zhou, F. Xie, and K.-Q. Chen, J. Appl. Phys. 122, 024304 (2017). CrossRef Google Scholar

23. S.-Z. Chen, W.-X. Zhou, J.-F. Yu, and K.-Q. Chen, Carbon 129, 809 (2018). CrossRef Google Scholar

24. Y. Liu, J. Liu, S. Yue, J. Zhao, B. Ouyang, and Y. Jing, Phys. Status Solidi 255, 1700680 (2018). CrossRef Google Scholar

25. L. Xie, H. An, C. He, Q. Qin, and Q. Peng, Nanomater. 9, 156 (2019). CrossRef Google Scholar

26. J. Zhang and C. Wang, J. Phys. Chem. C 121, 8196 (2017). CrossRef Google Scholar

27. F. Meng, C. Chen, D. Hu, and J. Song, J. Mech. Phys. Sol. 109, 241 (2017). CrossRef Google Scholar

28. J. Zhang and Q. Xiong, Phys. Chem. Chem. Phys. 20, 4597 (2018). CrossRef Google Scholar

29. W. Wang, C. He, L. Xie, and Q. Peng, Nanomater. 9, 487 (2019). CrossRef Google Scholar

30. L. Yi, T. Chang, X.-Q. Feng, Y. Zhang, J. Wang, and B. Huang, Carbon 118, 348 (2017). CrossRef Google Scholar

31. S.-Z. Chen, F. Xie, F. Ning, Y.-Y. Liu, W.-X. Zhou, J.-F. Yu, and K.-Q. Chen, Carbon 111, 867 (2017). CrossRef Google Scholar

32. Y. Han, J.-Y. Yang, and M. Hu, Nanoscale 10, 5229 (2018). CrossRef Google Scholar

33. Z. Wei, F. Yang, K. Bi, J. Yang, and Y. Chen, Carbon 113, 212 (2017). CrossRef Google Scholar

34. X.-K. Chen, J. Liu, D. Du, Z.-X. Xie, and K.-Q. Chen, J. Phys. Condens. Matter 30, 155702 (2018). CrossRef Google Scholar

35. H. Zhang, S. Hu, H. Wang, Y. Chen, H. Wang, and Y. Ni, Chin. J. Phys. 59, 567 (2019). CrossRef Google Scholar

36. J. Zhang, Carbon 137, 196 (2018). CrossRef Google Scholar

37. N. T. Hung, A. R. T. Nugraha, and R. Saito, Carbon 125, 472 (2017). CrossRef Google Scholar

38. Z. Pang, X. Gu, Y. Wei, and R. Yang, Mat. Today Phys. 5, 72 (2018). CrossRef Google Scholar

39. S. Wang, D. Wu, B. Yang, E. Ruckenstein, and H. Chen, Nanoscale 10, 2748 (2018). CrossRef Google Scholar

40. Z. Yang, G. Lan, B. Ouyang, L.-C. Xu, R. Liu, X. Liu, and J. Song, Mat. Chem. Phys. 183, 6 (2016). CrossRef Google Scholar

41. Y. Chen, Y. Xie, Y. Gao, P.-Y. Chang, S. Zhang, and D. Vanderbilt, Phys. Rev. Mater. 2, 044205 (2018). CrossRef Google Scholar

42. X. Liu and W. Guo, J. Appl. Phys. 123, 144301 (2018). CrossRef Google Scholar

43. Y. Lu, Y. Ma, Y. Ma, T. Zhang, Y. Yang, L. Wei, and Y. Chen, J. Am. Chem. Soc. 140, 11538 (2018). CrossRef Google Scholar

44. I.-Y. Jeon, H.-J. Choi, M. Choi, J.-M. Seo, S.-M. Jung, M.-J. Kim, S. Zhang, L. Zhang, Z. Xia, L. Dai, N. Park, and J.-B. Baek, Sci. Rep. 3, 1810 (2013). CrossRef Google Scholar

45. J. Liu, X. Li, Q. Wang, Y. Kawazoe, and P. Jena, J. Mater. Chem. A 6, 13816 (2018). CrossRef Google Scholar

46. L. Shi, A. Xu, and T. Zhao, J. Phys. Chem. C 122, 21262 (2018). CrossRef Google Scholar

47. J. Hua and X. Zhang, Eur. Phys. J. B 91, 76 (2018). CrossRef Google Scholar

48. C. Zhong, W. Zhang, G. Ding, and J. He, Carbon 154, 478 (2019). CrossRef Google Scholar

49. H. Singh and R. S. Myong, Adv. Mat. Sci. Engin. 2018, 9565240 (2018). CrossRef Google Scholar

50. B. Kuchta, P. Llewellyn, R. Denoyel, and L. Firlej, Fiz. Nizk. Temp. 29, 1152 (2003) [Low Temp. Phys. 29, 880 (2003)]. CrossRef Google Scholar

51. L. Firlej and B. Kuchta, Adsorption 14, 719 (2008). CrossRef Google Scholar

52. N. Krainyukova and B. Kuchta, J. Low Temp. Phys. 187, 148 (2017). CrossRef Google Scholar

53. N. V. Krainyukova, Fiz. Nizk. Temp. 15, 620 (1989) [Sov. J. Low Temp. Phys. 15, 349 (1989)]. Google Scholar

54. R. Etters, E. Flenner, B. Kuchta, L. Firlej, and W. Przydrozny, J. Low Temp. Phys. 122, 121 (2001). CrossRef Google Scholar

55. L. Firlej, B. Kuchta, R. Etters, W. Przydrozny, and E. Flenner, J. Low Temp. Phys. 122, 171 (2001). CrossRef Google Scholar

56. R. D. Etters and B. Kuchta, Fiz. Nizk. Temp. 19, 526 (1993) [Low Temp. Phys. 19, 373 (1993)]. Google Scholar

57. E. Billig, M. Decker, W. Benzinger, F. Ketelsen, P. Pfeifer, R. Peters, D. Stolten, and D. Thränae, J. CO2 Utiliz. 30, 130 (2019). CrossRef Google Scholar

58. F. Ding, Y. Lin, P. O. Krasnov, and B. I. Yakobson, J. Chem. Phys. 127, 164703 (2007). CrossRef Google Scholar

59. A. K. Singh, J. Lu, R. S. Aga, and B. I. Yakobson, J. Phys. Chem. C 115, 2476 (2011). CrossRef Google Scholar

60. A. Nikitin, X. Li, Z. Zhang, H. Ogasawara, H. Dai, and A. Nilsson, Nano Lett. 8, 162 (2008). CrossRef Google Scholar

61. C. Leidlmair, Y. Wang, P. Bartl, H. Schöbel, S. Denifl, M. Probst, M. Alcamí, F. Martín, H. Zettergren, K. Hansen, O. Echt, and P. Scheier, Phys. Rev. Lett. 108, 076101 (2012). CrossRef Google Scholar

62. L. Firlej, B. Kuchta, A. Lazarewicz, and P. Pfeifer, Carbon 53, 208 (2012). CrossRef Google Scholar

63. B. Kuchta, L. Firlej, A. Mohammadhosseini, P. Boulet, M. Beckner, J. Romanos, and P. Pfeifer, J. Am. Chem. Soc. 134, 15130 (2012). CrossRef Google Scholar

64. R. Strobel, J. Garche, P. T. Moseley, L. Jorissen, and G. Wolf, J. Power. Sour. 159, 781 (2006). CrossRef Google Scholar

65. B. Panella, M. Hirscher, and S. Roth, Carbon 43, 2209 (2005). CrossRef Google Scholar

66. L. Zubizarreta, E. I. Gomez, A. Arenillas, C. O. Ania, J. B. Parra, and J. J. Pis, Adsorption 14, 557 (2008). CrossRef Google Scholar

67. H.-M. Cheng, Q.-H. Yang, and C. Liu, Carbon 39, 1447 (2001). CrossRef Google Scholar

68. V. Meregalli and M. Parrinello, Appl. Phys. A 72, 143 (2001). CrossRef Google Scholar

69. P. Benard and R. Chahine, Scripta Mater. 56, 803 (2007). CrossRef Google Scholar

70. P. Benard and R. Chahine, Langmuir 17, 1950 (2001). CrossRef Google Scholar

71. P. Benard and R. Chahine, Int. J. Hydr. Energy 26, 849 (2001). CrossRef Google Scholar

72. S. K. Bhatia and A. L. Myers, Langmuir 22, 1688 (2006). CrossRef Google Scholar

73. A. Gigras, S. K. Bhatia, A. V. A. Kumar, and A. L. Myers, Carbon 45, 1043 (2007). CrossRef Google Scholar

74. G. Garberoglio, A. I. Skoulidas, and J. K. Johnson, J. Phys. Chem. B 109, 13094 (2005). CrossRef Google Scholar

75. H. Chae, D. Y. Siberio-Perez, J. Kim, Y. Go, M. Eddaoudi, A. Matzger, M. O’Keeffe, and O. M. Yaghi, Nature 427, 523 (2004). CrossRef Google Scholar

76. F. Rodriguez-Reinoso, J. M. Loureiro, and M. T. Kartel, in Porous Carbons in Gas Separation and Storage, in Combined and Hybrid Adsorbents, NATO Security Through Science Series (Springer, Netherlands, 2006), Vol. 25, pp. 133. Google Scholar

77. K. R. Matranga, A. Myers, and E. D. Glanst, Chem. Eng. Sci. 47, 1569 (1992). CrossRef Google Scholar

78. J. Burress, M. Kraus, M. Beckner, R. Cepel, G. Suppes, C. Wexler, and P. Pfeifer, Nanotechnology 20, 204026 (2009). CrossRef Google Scholar

79. D. Y. Sun, J. W. Liu, X. G. Gong, and Z.-F. Liu, Phys. Rev. B 75, 075424 (2007). CrossRef Google Scholar

80. B. Kuchta, L. Firlej, P. Pfeifer, and C. Wexler, Carbon 48, 223 (2010). CrossRef Google Scholar

81. L. Firlej, B. Kuchta, C. Wexler, and P. Pfeifer, Adsorption 15, 312 (2009). CrossRef Google Scholar

82. B. Kuchta, K. Rohleder, R. D. Etters, and J. Belak, J. Chem. Phys. 108, 3349 (1995). CrossRef Google Scholar

83. D. Etters, B. Kuchta, and J. Belak, Phys. Rev. Lett. 70, 826 (1993). CrossRef Google Scholar

84. B. Kuchta and T. Luty, J. Chem. Phys. 78, 1447 (1983). CrossRef Google Scholar

85. L. Firlej, S. Roszak, B. Kuchta, P. Pfeifer, and C. Wexler, J. Chem. Phys. 131, 164702 (2009). CrossRef Google Scholar

86. B. Kuchta, L. Firlej, R. Cepel, P. Pfeifer, and C. Wexler, Colloids Surfaces A 357, 61 (2010). CrossRef Google Scholar

87. B. Kuchta, L. Firlej, S. Roszak, and P. Pfeifer, Adsorption 16, 413 (2010). CrossRef Google Scholar

88. B. Kuchta, L. Firlej, A. Mohammadhosseini, M. Beckner, J. Romanos, and P. Pfeifer, J. Mol. Modeling 19, 4079 (2013). CrossRef Google Scholar

89. Y.-H. Kim, Y. Zhao, A. Williamson, M. J. Heben, and S. B. Zhang, Phys. Rev. Lett. 96, 016102 (2006). CrossRef Google Scholar

90. V. Buch, J. Chem. Phys. 100, 7610 (1994). CrossRef Google Scholar

91. Q. Wang and J. K. Johnson, J. Phys. Chem. B 103, 277 (1999). CrossRef Google Scholar

92. P. Kowalczyk, H. Tanaka, R. Hoyst, K. Kaneko, T. Ohmori, and J. Miyamoto, J. Phys. Chem. B 109, 17174 (2005). CrossRef Google Scholar

93. V. A. Kumar, H. Jobic, and S. K. Bhatia, Adsorption 13, 501 (2007). CrossRef Google Scholar

94. N. L. Rosi, J. Eckert, M. Eddaoudi, D. T. Vodak, J. Kim, M. O’Keeffe, and O. M. Yaghi, Science 300, 1127 (2003). CrossRef Google Scholar

95. J. Sculley, D. Yuan, and H.-C. Zhou, Energy Environ. Sci. 4, 2721 (2011). CrossRef Google Scholar

96. D. Cao, J. Lan, W. Wang, and B. Smit, Angew. Chem., Int. Ed. 48, 4730 (2009). CrossRef Google Scholar

97. H. Furukawa and O. M. Yaghi, J. Am. Chem. Soc. 131, 8 (2009). CrossRef Google Scholar

98. J. Lan, D. Cao, W. Wang, T. Ben, and G. J. Zhu, Phys. Chem. Lett. 1, 978 (2010). CrossRef Google Scholar

99. H. K. Chae, D. Y. Siberio-Perez, J. Kim, Y. Go, M. Eddaoudi, A. J. Matzger, M. O’Keeffe, and O. M. Yaghi, Nature 427, 523 (2004). CrossRef Google Scholar

100. N. Park, S. Hong, G. Kim, and S.-H. Jhi, J. Am. Chem. Soc. 129, 8999 (2007). CrossRef Google Scholar

101. J. Gibson, M. Holohan, and H. L. Riley, J. Chem. Soc. 1946, 456 (1946). CrossRef Google Scholar

102. H. L. Q. Riley, Rev. Chem. Soc. 1, 59 (1947). CrossRef Google Scholar

103. K. Kaneko, C. Ishii, M. Ruike, and H. Kuwabara, Carbon 30, 1075 (1992). CrossRef Google Scholar

104. L. Firlej, B. Kuchta, and P. Pfeifer, Adv. Mater. 25, 5971 (2013). CrossRef Google Scholar