Jakie są metody przygotowania nanorurek węglowych?

1. Jak „uprawiają się” nanorurki węglowe?

Nanorurek węglowych nie wydobywa się z ziemi; są „hodowane” w laboratoriach. Atomy węgla układają się w określony sposób, zwijając się w puste w środku struktury rurowe-. Proces ten przypomina zwijanie arkusza papieru grafenowego w słomkę.

Od odkrycia w 1991 roku naukowcy opracowali różne metody przygotowania tego „supermateriału”. Wśród nich trzy najbardziej popularne podejścia to metoda wyładowania łukowego, metoda ablacji laserowej i metoda chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD). W tym artykule omówiono specyfikę działania każdej metody,-jej zalety i wady oraz to, która z nich jest bardziej odpowiednia do produkcji przemysłowej.

2. Szczegółowe wyjaśnienie trzech głównych metod przygotowania

2.1 Metoda wyładowania łuku: „Najbardziej tradycyjna” metoda

Metoda wyładowania łukowego była pierwszą metodą zastosowaną do odkrycia nanorurek CNT i można ją uznać za technologię „weterana”.

Jak to działa?
Do reaktora wprowadza się gaz obojętny (zwykle hel lub argon), a jako anodę i katodę stosuje się dwa pręty grafitowe. Po przyłożeniu prądu stałego grafit na anodzie odparowuje pod wpływem wysokiej temperatury, a atomy węgla przestawiają się, tworząc CNT, osadzając się w postaci „sadzy” na powierzchni katody i ściankach reaktora.

Różnice w produktach:

Wielościenne-CNT:Można go syntetyzować bezpośrednio przy użyciu czystych elektrod grafitowych.

Jednościenne CNT:Wymagają dodania do anody katalizatorów metalicznych, takich jak żelazo, kobalt lub nikiel.

Zalety:

Wysoka krystaliczność produktu i doskonała struktura-nieliczne wady ścianek, wysoki stopień grafityzacji.

Stosunkowo dojrzała technologia, proste wyposażenie.

Najlepsza jakość produktu spośród trzech metod.

Wady:

Wysokie zużycie energii, wymagające wysokiej próżni i określonych warunków temperaturowych.

Niska wydajność; trudno ekonomicznie zwiększyć skalę.

Produkty są mieszane z dużą ilością amorficznego węgla, fulerenów i innych zanieczyszczeń, co wymaga etapów oczyszczania.

Metaliczne i półprzewodnikowe nanorurki są ze sobą zmieszane i nie można ich rozdzielić.

Wymaga okresowej wymiany elektrod i tarcz.

Streszczenie:Dobra jakość, ale niska wydajność i duże zanieczyszczenia; nie nadaje się do przemysłowej-produkcji na dużą skalę.

2.2 Metoda ablacji laserowej: najwyższa precyzja, najniższa wydajność

Metoda ablacji laserowej została po raz pierwszy opisana przez Guo i współpracowników w 1995 roku i można ją uznać za „ulepszoną wersję” metody wyładowania łukowego.

Jak to działa?
W obojętnej atmosferze o wysokiej-temperaturze (800–1500 stopni) impuls wiązki laserowej o wysokiej-energii bombarduje tarczę ze stałego grafitu zamontowaną w rurce kwarcowej, powodując jej odparowanie. Atomy węgla ponownie łączą się w CNT, które są następnie gromadzone w urządzeniu w postaci sadzy-węglowej.

Zalety:

Zsyntetyzowane nanorurki CNT mają wysoką doskonałość strukturalną.

Może wytwarzać SWCNT bez zanieczyszczeń MWCNT.

Potrafi kontrolować wytwarzanie określonych chiralności (np. (10,10) CNT).

Wytwarza mniej amorficznych zanieczyszczeń węglowych.

Wady:

Skomplikowany i drogi sprzęt; wysoki koszt lasera.

Wyjątkowo niska wydajność,-tylko miligramowe ilości na preparat.

Wysokie zużycie energii; wymaga warunków wysokiej temperatury i ciśnienia.

Występują również problemy z zanieczyszczeniami wymagające oczyszczenia.

Czynniki wpływające:Skład chemiczny celu, moc i długość fali lasera oraz odległość między podłożem a celem wpływają na wydajność i jakość produktu.

Streszczenie:Najwyższa precyzja i czystość, ale wydajność jest żałośnie niska; nadaje się tylko do badań mechanicznych w laboratoriach.

2.3 Chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD): „koń pociągowy” industrializacji

Metoda CVD jest obecnie najpopularniejszym wyborem w produkcji przemysłowej i jest najbardziej obiecującą metodą osiągania produkcji na-na dużą skalę.

Jak to działa?
Węglowodory lub tlenki-zawierające węgiel (np. metan, acetylen, etylen) wprowadza się do wysokotemperaturowego-pieca rurowego zawierającego katalizatory metalowe (żelazo, kobalt, nikiel itp.). Gaz rozkłada się na powierzchni katalizatora, a atomy węgla przegrupowują się, tworząc CNT.

Typy wyposażenia:Reaktory poziome, reaktory ze złożem fluidalnym, reaktory pionowe itp.

Dlaczego choroby CVD stały się głównym nurtem?

Niższa temperatura:Temperatura reakcji (600–1000 stopni) jest znacznie niższa niż w przypadku metody wyładowania łukowego i lasera (powyżej 3000 stopni).

Produkcja ciągła:Gaz jest wprowadzany w sposób ciągły, nanorurki CNT stale rosną, umożliwiając ciągłą pracę.

Wysoka wydajność:Zdolność produkcyjna pojedynczego reaktora znacznie przewyższa wydajność pozostałych dwóch metod.

Dobra sterowność:Dostosowując parametry, takie jak katalizator, temperatura i natężenie przepływu gazu, można kontrolować średnicę, długość i strukturę nanorurek CNT.

Wady:

Produkty mają więcej wad strukturalnych; stopień grafityzacji nie jest tak wysoki, jak w przypadku metody wyładowania łukowego.

Może zatrzymywać zanieczyszczenia metalami katalizatora, wymagające obróbki oczyszczającej.

Wybór katalizatora ma kluczowe znaczenie-katalizator bezpośrednio określa jakość produktu i wydajność.

Streszczenie:Metoda CVD to optymalny wybór w przypadku industrializacji-chociaż czystość jest nieco gorsza w porównaniu z dwiema pierwszymi metodami, ma ona wszechstronne zalety w zakresie wydajności, kosztów i możliwości kontroli.

3. Podsumowanie porównawcze trzech metod

Podstawowy wniosek:Metody wyładowania łukowego i ablacji laserowej nadają się do przygotowywania-wysokiej jakości próbek w laboratoriach; metoda CVD to jedyny wybór w przypadku produkcji przemysłowej na dużą-skalę.

4. Zaawansowana technologia CVD: od laboratorium do skali dziesięciu-tysięcy-ton

Sama technologia CVD stale się rozwija. Oprócz tradycyjnych termicznych CVD opracowano zaawansowane techniki, takie jak CVD-wzmocnione plazmą (PECVD) i CVD z plazmą mikrofalową. Mogą one hodować CNT w jeszcze niższych temperaturach i zapewniać bardziej precyzyjną kontrolę nad wyrównaniem i orientacją rur.

Przełomy w industrializacji CVD przez chińskie firmy:

Shandong Tanfeng to jedna z niewielu krajowych firm, która opanowała podstawową technologię produkcji nanomateriałów węglowych metodą-fazy gazowej. Dzięki w pełni zautomatyzowanemu sterowaniu wydajność produktu wzrosła do ponad 99%. Zdolność produkcyjna została obecnie zwiększona do 2000 ton rocznie, co czyni ją jedną z największych baz produkcyjnych CNT na świecie.

5. Zalety producentów: Przekształcenie technologii CVD z „wydajnej” w „łatwą w użyciu”

Jako producent CNT wybraliśmy drogę technologii CVD i zrobiliśmy kilka konkretnych rzeczy na poziomie industrializacji:

Opanowanie podstawowej technologii projektowania i przygotowania katalizatorów.W metodzie CVD katalizator jest „duszą”-bezpośrednio określa średnicę, liczbę ścianek i wydajność nanorurek CNT. Dzięki naszemu niezależnie opracowanemu systemowi katalizatorów uzyskaliśmy precyzyjną kontrolę nad strukturą produktu, z wąskim rozkładem średnic i dobrą spójnością poszczególnych partii.

Przełamanie wąskiego gardła związanego ze skalowaniem-reaktora.Tradycyjne reaktory CVD mają niską zdolność produkcyjną-jednostki. Budowa 10-tysięcznej-fabryki wymagałaby równoległej pracy kilkudziesięciu jednostek, co wiązałoby się z dużymi nakładami inwestycyjnymi i trudnym zarządzaniem. Przyjęliśmy konstrukcję reaktora wielkoskalowego-generacji-, w której wydajność pojedynczego modułu jest kilkakrotnie większa niż w przypadku tradycyjnego sprzętu, co znacznie zmniejsza zużycie energii i koszty pracy.

Obecnie nasze produkty CNT są szeroko stosowane w dodatkach przewodzących baterie litowe do nowych pojazdów energetycznych, zaawansowanych kompozytów polimerowych, elastomerów, lotnictwa, transportu kolejowego, wytwarzania energii wiatrowej i innych dziedzin. Od surowców po reaktory, od katalizatorów po oczyszczanie i dyspersję — opanowaliśmy cały łańcuch technologii produkcji nanorurek CNT metodą CVD, starając się wprowadzić ten „supermateriał” do tysięcy gałęzi przemysłu.