Које су методе припреме угљеничних наноцеви?

1. Како се „гајају“ угљеничне наноцеви?

Угљеничне наноцеви се не копају из земље; они се „гаје” у лабораторијама. Атоми угљеника се преуређују на одређене начине, увијајући се у шупље цевасте структуре-што је процес сличан котању листа графенског папира у сламку.

Од њиховог открића 1991. године, научници су развили различите методе за припрему овог „супер материјала“. Међу њима, метода лучног пражњења, метода ласерске аблације и метода хемијског таложења паре (ЦВД) су три најчешћа приступа. Овај чланак говори о специфичностима сваке методе-како функционишу, њиховим предностима и недостацима и која је погоднија за индустријску производњу.

2. Детаљно објашњење три главне методе припреме

2.1 Метода лучног пражњења: „Најтрадиционалнија“ метода

Метода лучног пражњења је била прва метода коришћена за откривање ЦНТ-а и може се сматрати "ветеранском" технологијом.

Како то функционише?
Инертни гас (обично хелијум или аргон) се уводи у реактор, а две графитне шипке се користе као анода и катода. Када се примени једносмерна струја, графит на аноди се испарава услед високе температуре, а атоми угљеника се преуређују да формирају ЦНТ, таложећи се као "чађ" на површини катоде и зидовима реактора.

Разлике у производима:

ЦНТ са више-зидова:Може се синтетизовати директно коришћењем чистих графитних електрода.

ЦНТ са једним-зидом:Захтевати додавање металних катализатора као што су гвожђе, кобалт или никл на аноду.

Предности:

Висока кристалност производа и савршена структура-мало дефеката на зиду, висок степен графитизације.

Релативно зрела технологија, једноставна опрема.

Најбољи квалитет производа међу три методе.

Недостаци:

Велика потрошња енергије, захтева висок вакуум и специфичне температурне услове.

Низак принос; тешко економски увећати.

Производи су помешани са великим количинама аморфног угљеника, фулерена и других нечистоћа, што захтева кораке пречишћавања.

Метални и полупроводнички ЦНТ се мешају и не могу се одвојити.

Захтева периодичну замену електрода и мета.

резиме:Добар квалитет, али низак принос и високе нечистоће; није погодно за индустријску{0}}производњу.

2.2 Метода ласерске аблације: највећа прецизност, најмањи принос

Метод ласерске аблације је први пут објављен од стране Гуоа и његових колега 1995. године и може се сматрати „надограђеном верзијом“ методе лучног пражњења.

Како то функционише?
У високо{0}}инертној атмосфери (800–1500 степени), импулс ласерског зрака високе{3}}е енергије бомбардује чврсту графитну мету постављену у кварцну цев, испаравајући је. Атоми угљеника се поново састављају у ЦНТ, који се затим сакупљају као чађ на бази угљеника- унутар апарата.

Предности:

Синтетизовани ЦНТ имају високо структурно савршенство.

Може произвести СВЦНТ без МВЦНТ нечистоћа.

Може да контролише производњу специфичних хиралитета (нпр. (10,10) ЦНТ).

Производи мање нечистоћа аморфног угљеника.

Недостаци:

Комплексна и скупа опрема; висока цена ласера.

Екстремно мали принос-количине само у милиграма по препарату.

Висока потрошња енергије; захтева услове високе температуре и притиска.

Такође има проблема са нечистоћама који захтевају пречишћавање.

Фактори утицаја:Хемијски састав мете, снага ласера ​​и таласна дужина, као и растојање између подлоге и мете утичу на принос и квалитет производа.

резиме:Највећа прецизност и чистоћа, али је принос жалосно низак; погодан само за механичка истраживања у лабораторијама.

2.3 Хемијско таложење паре (ЦВД): „Радни коњ“ индустријализације

Метода ЦВД је тренутно главни избор за индустријску производњу и метода која највише обећава за постизање велике-производње.

Како то функционише?
Угљоводоници или оксиди који садрже угљеник- (нпр. метан, ацетилен, етилен) се уносе у -цевасту пећ на високој температури која садржи металне катализаторе (гвожђе, кобалт, никл, итд.). Гас се разлаже на површини катализатора, а атоми угљеника се преуређују и формирају ЦНТ.

Врсте опреме:Хоризонтални реактори, реактори са флуидизованим слојем, вертикални реактори итд.

Зашто је КВБ постао мејнстрим?

Нижа температура:Реакциона температура (600–1000 степени) је много нижа од оне код лучног пражњења и ласерских метода (изнад 3000 степени).

Континуирана производња:Гас се континуирано уводи, ЦНТ континуирано расту, омогућавајући непрекидан рад.

висок принос:Производни капацитет једног реактора далеко премашује капацитете друге две методе.

Добра управљивост:Подешавањем параметара као што су катализатор, температура и брзина протока гаса, може се контролисати пречник, дужина и структура ЦНТ-а.

Недостаци:

Производи имају више структурних недостатака; степен графитизације није тако висок као код методе лучног пражњења.

Може задржати нечистоће метала катализатора, што захтева третман пречишћавања.

Избор катализатора је критичан-катализатор директно одређује квалитет производа и принос.

резиме:ЦВД метода је оптималан избор за индустријализацију-иако је чистоћа мало инфериорна у односу на прве две методе, има свеобухватне предности у погледу приноса, цене и могућности контроле.

3. Резиме поређења три методе

Основни закључак:Методе лучног пражњења и ласерске аблације су погодне за припрему-узорака високог квалитета у лабораторијама; ЦВД метода је једини избор за индустријску{1}}производњу великих размера.

4. Напредна ЦВД технологија: од лабораторије до скале од десет-хиљада-тона

Сама ЦВД технологија се континуирано развија. Поред традиционалних термичких ЦВД-а, развијене су напредне технике као што су ЦВД-побољшане плазмом (ПЕЦВД) и микроталасне плазма ЦВД. Они могу узгајати ЦНТ на још нижим температурама и пружити прецизнију контролу над поравнањем и оријентацијом цеви.

Пробоји кинеских компанија у индустријализацији ЦВД:

Схандонг Танфенг је једна од ретких домаћих компанија која је савладала основну технологију за производњу угљеничних наноматеријала методом гасне{0}}фазе. Коришћењем потпуно аутоматизоване контроле, принос производа је повећан на преко 99%. Производни капацитет је сада проширен на 2.000 тона годишње, што га чини једном од највећих производних база ЦНТ-а у свету.

5. Предности произвођача: претварање ЦВД технологије од "способне" до "једноставне за употребу"

Као произвођач ЦНТ-а, изабрали смо пут ЦВД технологије и урадили неколико конкретних ствари на нивоу индустријализације:

Овладавање основном технологијом дизајна и припреме катализатора.У ЦВД методи, катализатор је „душа“-он директно одређује пречник, број зидова и принос ЦНТ-а. Кроз наш независно развијени систем катализатора, постигли смо прецизну контролу над структуром производа, са уском расподелом пречника и добром конзистентношћу-до-серије.

Пробијање кроз уско грло{0}}скалирања реактора.Традиционални ЦВД реактори имају низак производни капацитет једне{0}} јединице. Изградња фабрике од десет-хиљада-тона захтевала би десетине јединица које раде паралелно, што укључује велике инвестиције и тешко управљање. Усвојили смо трећу-генерацију великог-реактора, где је капацитет једне јединице неколико пута већи од традиционалне опреме, што значајно смањује потрошњу енергије и трошкове рада.

Тренутно, наши ЦНТ производи се широко користе у проводним адитивима за литијумске батерије за нова енергетска возила, напредне полимерне композите, еластомере, ваздухопловство, железнички транспорт, производњу енергије ветра и друга поља. Од сировина до реактора, од катализатора до пречишћавања и дисперзије, савладали смо читав ланац технологије за ЦВД производњу ЦНТ-а, посвећени увођењу овог „супер материјала“ у хиљаде индустрија.