Jaké jsou způsoby přípravy uhlíkových nanotrubic?

1. Jak se uhlíkové nanotrubice „pěstují“?

Uhlíkové nanotrubice se netěží ze země; jsou „pěstovány“ v laboratořích. Atomy uhlíku se přeskupují specifickým způsobem a svíjejí se do dutých trubicových struktur-což je proces podobný srolování listu grafenového papíru do brčka.

Od svého objevu v roce 1991 vyvinuli vědci různé metody, jak tento „super materiál“ připravit. Mezi nimi jsou metoda obloukového výboje, metoda laserové ablace a metoda chemické depozice z plynné fáze (CVD) tři nejběžnější přístupy. Tento článek popisuje specifika jednotlivých metod,-jak fungují, jejich výhody a nevýhody a která z nich je vhodnější pro průmyslovou výrobu.

2. Podrobné vysvětlení tří hlavních metod přípravy

2.1 Metoda obloukového výboje: "Nejtradičnější" metoda

Metoda obloukového výboje byla první metodou použitou k objevení CNT a lze ji považovat za „veteránskou“ technologii.

Jak to funguje?
Do reaktoru se zavádí inertní plyn (typicky helium nebo argon) a jako anoda a katoda se používají dvě grafitové tyče. Při použití stejnosměrného proudu se grafit na anodě vypařuje vysokou teplotou a atomy uhlíku se přeskupují za vzniku CNT, které se ukládají jako "saze" na povrchu katody a stěnách reaktoru.

Rozdíly v produktech:

Vícestěnné CNT:Lze syntetizovat přímo pomocí čistých grafitových elektrod.

Jednostěnné-CNT:Vyžaduje přidání kovových katalyzátorů, jako je železo, kobalt nebo nikl, k anodě.

výhody:

Vysoká krystalinita produktu a dokonalá struktura-málo defektů stěn, vysoký stupeň grafitizace.

Poměrně vyspělá technika, jednoduchá výbava.

Nejlepší kvalita produktu ze tří metod.

Nevýhody:

Vysoká spotřeba energie vyžadující vysoké vakuum a specifické teplotní podmínky.

Nízký výnos; obtížné ekonomicky rozšířit.

Produkty jsou smíchány s velkým množstvím amorfního uhlíku, fullerenů a dalších nečistot, což vyžaduje kroky čištění.

Kovové a polovodičové CNT jsou smíchány dohromady a nelze je oddělit.

Vyžaduje pravidelnou výměnu elektrod a terčů.

Shrnutí:Dobrá kvalita, ale nízký výtěžek a vysoké nečistoty; nevhodné pro průmyslovou velkovýrobu-.

2.2 Metoda laserové ablace: Nejvyšší přesnost, nejnižší výtěžnost

Metoda laserové ablace byla poprvé popsána Guo a kolegy v roce 1995 a lze ji považovat za „vylepšenou verzi“ metody obloukového výboje.

Jak to funguje?
V inertní atmosféře s vysokou-teplotou (800–1500 stupňů) bombarduje puls- laserového paprsku s vysokou energií terč z pevného grafitu namontovaný v křemenné trubici a odpařuje jej. Atomy uhlíku se znovu skládají do CNT, které se pak shromažďují jako uhlíkové- saze uvnitř zařízení.

výhody:

Syntetizované CNT mají vysokou strukturální dokonalost.

Může vyrábět SWCNT bez nečistot MWCNT.

Může řídit produkci specifických chiralit (např. (10,10) CNT).

Produkuje méně amorfních uhlíkových nečistot.

Nevýhody:

složité a drahé vybavení; vysoká cena laseru.

Extrémně nízký výtěžek-pouze miligramové množství na přípravu.

Vysoká spotřeba energie; vyžaduje podmínky vysoké teploty a tlaku.

Má také problémy s nečistotami, které vyžadují čištění.

Ovlivňující faktory:Chemické složení cíle, výkon a vlnová délka laseru a vzdálenost mezi substrátem a cílem, to vše ovlivňuje výtěžnost a kvalitu produktu.

Shrnutí:Nejvyšší přesnost a čistota, ale výtěžek je žalostně nízký; vhodné pouze pro mechanistický výzkum v laboratořích.

2.3 Chemická depozice z plynné fáze (CVD): "Dílo" industrializace

Metoda CVD je v současnosti hlavní volbou pro průmyslovou výrobu a je nejslibnější metodou pro dosažení-výroby ve velkém měřítku.

Jak to funguje?
Do vysokoteplotní trubkové pece obsahující kovové katalyzátory (železo, kobalt, nikl atd.) se zavádějí uhlovodíky nebo uhlík-oxidy (např. metan, acetylén, etylen). Plyn se rozkládá na povrchu katalyzátoru a atomy uhlíku se přeskupují za vzniku CNT.

Typy zařízení:Horizontální reaktory, reaktory s fluidním ložem, vertikální reaktory atd.

Proč se CVD stalo mainstreamem?

Nižší teplota:Reakční teplota (600–1000 stupňů) je mnohem nižší než u obloukových výbojů a laserových metod (nad 3000 stupňů).

Nepřetržitá výroba:Plyn je zaváděn nepřetržitě, CNT neustále rostou, což umožňuje nepřetržitý provoz.

Vysoký výnos:Výrobní kapacita jednoho reaktoru daleko převyšuje kapacitu ostatních dvou metod.

Dobrá ovladatelnost:Nastavením parametrů, jako je katalyzátor, teplota a průtok plynu, lze řídit průměr, délku a strukturu CNT.

Nevýhody:

Výrobky mají více strukturálních vad; stupeň grafitizace není tak vysoký jako u metody obloukového výboje.

Může obsahovat nečistoty katalyzátorového kovu, což vyžaduje čištění.

Výběr katalyzátoru je kritický-katalyzátor přímo určuje kvalitu a výtěžnost produktu.

Shrnutí:Metoda CVD je optimální volbou pro industrializaci,-ačkoli je čistota mírně nižší než u prvních dvou metod, má komplexní výhody ve výtěžnosti, ceně a ovladatelnosti.

3. Srovnání Shrnutí tří metod

Základní závěr:Metody obloukového výboje a laserové ablace jsou vhodné pro přípravu vysoce kvalitních vzorků v laboratořích; metoda CVD je jedinou volbou pro průmyslovou velkovýrobu-.

4. Pokročilá technologie CVD: Z laboratoře do měřítka deseti-tisíc-tun

Samotná technologie CVD se neustále vyvíjí. Kromě tradičního tepelného CVD byly vyvinuty pokročilé techniky, jako je plazmová-enhanced CVD (PECVD) a mikrovlnná plazmová CVD. Ty mohou růst CNT při ještě nižších teplotách a poskytují přesnější kontrolu nad zarovnáním a orientací trubek.

Průlomy v industrializaci CVD čínskými společnostmi:

Shandong Tanfeng je jednou z mála tuzemských společností, které zvládly základní technologii výroby uhlíkových nanomateriálů metodou plynné-fáze. Použitím plně automatizovaného řízení se výtěžnost produktu zvýšila na více než 99 %. Výrobní kapacita byla nyní rozšířena na 2000 tun ročně, což z ní dělá jednu z největších výrobních základen CNT na světě.

5. Výhody výrobců: Převedení technologie CVD z „schopné“ na „snadno použitelnou“

Jako výrobce CNT jsme zvolili cestu technologie CVD a udělali jsme několik konkrétních věcí na úrovni industrializace:

Zvládnutí základní technologie návrhu a přípravy katalyzátoru.V metodě CVD je katalyzátor „duší“-, která přímo určuje průměr, počet stěn a výtěžnost CNT. Díky našemu nezávisle vyvinutému katalytickému systému jsme dosáhli přesné kontroly nad strukturou produktu, s úzkým rozdělením průměru a dobrou konzistencí mezi jednotlivými šaržemi-

Prolomit překážku při zvětšování reaktoru-.Tradiční CVD reaktory mají nízkou výrobní kapacitu jedné jednotky-. Vybudování deseti{2}}tisícového- závodu by vyžadovalo desítky jednotek pracujících paralelně, což by vyžadovalo vysoké investice a obtížnou správu. Přijali jsme konstrukci velkého reaktoru třetí-generace-, kde je kapacita jednoho bloku několikanásobně vyšší než u tradičního zařízení, což výrazně snižuje spotřebu energie a náklady na pracovní sílu.

V současné době jsou naše produkty CNT široce používány ve vodivých přísadách pro lithiové baterie pro nová energetická vozidla, pokročilé polymerní kompozity, elastomery, letecký průmysl, železniční dopravu, výrobu větrné energie a další obory. Od surovin po reaktory, od katalyzátorů po čištění a disperzi, zvládli jsme celý řetězec technologie pro CVD výrobu CNT a zavázali jsme se přinést tento „super materiál“ do tisíců průmyslových odvětví.