Проблеми с пречистването и отстраняването на примеси на прах от въглеродни нанотръби с една-стена

Ефективността на едно{0}}стенния въглероден нанотръбен прах (SWCNT прах) зависи не само от диаметъра на тръбата, дължината и хиралната структура, но е тясно свързана и със съдържанието на примеси като остатъчни метални катализатори, аморфен въглерод, графитизиран въглерод и въглеродни наночастици. За проводими агенти за батерии, проводими композитни материали, полупроводникови материали, прозрачни проводими материали и полимерни композитни материали с висока-ефективност, пречистването и отстраняването на примеси от едно-стенни въглеродни нанотръби на прах не е просто „отмиване на примеси“. Истинската трудност се състои в: отстраняване на примесите, като същевременно се запази структурната цялост и електрическите и оптични свойства на самите въглеродни нанотръби, доколкото е възможно.

Следователно, преценката дали SWCNT прахът е наистина подходящ за приложение, не може да разчита единствено на едно число като "99% чистота", предоставено от доставчика. Той също така изисква цялостна преценка, комбинираща метални остатъци, съдържание на пепел, Raman, TGA, TEM/SEM, XPS и специфични характеристики на приложението.

I. Защо прахът от въглеродни нанотръби с една стена- се нуждае от пречистване?

Току-що синтезираните едностенни въглеродни нанотръби обикновено не са „чисти въглеродни нанотръби“, а смес от въглеродни нанотръби, частици катализатор и други въглеродни странични -продукти.

SWCNT обикновено се приготвят чрез методи като електродъгов разряд, лазерна аблация или химическо отлагане на пари, а процесът на растеж често изисква катализатори от преходни метали като Fe, Co и Ni.

Следователно, оригиналният продукт може едновременно да съдържа:

Едностенни-въглеродни нанотръби;

Аморфен въглерод;

Графитизирани въглеродни частици;

Много{0}}слойни въглеродни нанообвивки;

Частици от метален катализатор;

Метални оксиди;

Малко количество други въглеродни странични -продукти.

Необработените SWCNT проби обикновено съдържат катализатори от преходни метали като Fe, Co и Ni, както и примеси като аморфен въглерод, фулерени, много{0}}слойни въглеродни нанообвивки и нанокристален графит.

Това е и причината, поради която пречистването на прах от въглеродни нанотръби с едно-стенни стени влияе пряко върху следващите приложения.

Например:

Следователно, това, което "пречистването" наистина решава, е проблемът с ефективното съотношение на въглеродните нанотръби и контрола на примесите, а не просто преследването на красиво число на чистота.

II. Кой е най-трудният примес за отстраняване от прах от въглеродни нанотръби с една-стена?

При действителното пречистване най-важният фокус е върху остатъците от метален катализатор и въглеродните примеси, тъй като механизмите за отстраняване на двата вида примеси са напълно различни.

1. Метални катализатори

Метални частици като Fe, Co и Ni обикновено са пряко свързани с процеса на растеж на SWCNT.

Някои от тези метални частици могат да бъдат изложени на повърхността на въглеродната тръба, докато други могат да бъдат капсулирани от въглеродни слоеве.

Това води до проблем: простото измиване с киселина не означава, че всички метали могат да бъдат ефективно отстранени.

Ако металните частици са обвити от относително дебели въглеродни слоеве, тези частици първо трябва да бъдат изложени преди по-нататъшно химическо отстраняване.

Изследванията също така наблюдават, че след отстраняване на аморфния въглерод, капсулираните метални частици могат да бъдат изложени, което ги прави по-лесни за отстраняване чрез последващо измиване с киселина.

2. Аморфен въглерод

Аморфният въглерод, подобно на SWCNT, е въглероден материал, което го прави по-труден за разграничаване чрез прости химични методи, отколкото металните катализатори.

Това също е една от ключовите трудности при отстраняването на примеси от SWCNT прах.

Въпреки че прекомерното окисляване може да ускори отстраняването на аморфен въглерод, самите SWCNT също са въглеродни материали и окислителите не атакуват само "лошия въглерод".

Следователно, един наистина зрял подход за пречистване не е просто увеличаване на концентрацията на киселина, но намиране на: баланс между ефективността на отстраняване на примеси и запазване на структурата на SWCNT.

III. Защо промиването с по-силна киселина не е непременно по-добро за въглеродни нанотръби с една-стена?

Силните киселини могат да помогнат за отстраняването на метални катализатори, но прекалено силните условия на обработка могат едновременно да повредят самите SWCNT.

Това е момент, който много лесно се пренебрегва, когато се преценяват процесите за пречистване на едностенни въглеродни нанотръби.

Като вземем за пример пречистването с азотна киселина, беше установено, че азотната киселина може да намали остатъчното съдържание на преходен метал, но при изследваните условия тя също така причинява очевидно увреждане на SWCNT и генерира повече аморфен въглерод.

С други думи: „Намален метален остатък“ сам по себе си не може да докаже „по-добър процес на пречистване“.

Една по-разумна преценка трябва едновременно да отчита:

Дали металният остатък намалява;

Дали аморфният въглерод намалява;

Дали нивата на рамановия дефект се променят значително;

Дали дължината на тръбата е засегната;

Дали се получава прекомерно окисление по стените на тръбата;

Дали се запазват присъщите електрически/оптични свойства на SWCNT.

Двата подхода могат да се разбират просто като:

Следователно сърцевината на SWCNTs с висока{0}}чистота не е „колкото по-сурово е третирането, толкова по-добре“, а селективното отстраняване на примесите, като същевременно се намалява увреждането на въглеродните нанотръби.

IV. Как да преценим чистотата на прах от въглеродни нанотръби с една-стена?

Чистотата на праха от въглеродни нанотръби-с една стена не може да разчита само на един метод за изпитване, а трябва да бъде кръстосано оценена-чрез TGA, Raman, XPS, TEM/SEM и други средства.

Това е много важен момент при закупуване на SWCNT прах. Различните методи отразяват различни измерения на информацията и разчитането само на един метод може да не опише напълно истинската чистота на партида прах.

1. TGA: Погледнете металите и термичното поведение при загуба на тегло

TGA е най-подходящ за подпомагане при преценката на неорганичните остатъци и термичната стабилност на различни въглеродни компоненти, но TGA остатъчната пепел не може просто да се приравни към всички примеси.

Обикновено може да се обърне внимание на:

Първоначално поведение при загуба на тегло;

Диапазон на окисляване на въглероден материал;

Крайна остатъчна маса;

Съгласуваност на кривите между различните партиди.

За SWCNT, съдържащи метални катализатори, крайният остатък от TGA може да помогне за оценка на нивото на метални/неорганични остатъци. Въпреки това, трябва да се отбележи, че TGA не може напълно и недвусмислено да разграничи SWCNT от други въглеродни примеси.

V. Защо Raman е важен инструмент за преценка на качеството на пречистване на SWCNT?

Raman може не само да помогне при преценката на структурната цялост на SWCNT, но и да наблюдава нивата на дефекти чрез промени в D и G пиковете.

SWCNT обикновено се фокусират върху:

D лента;

G лента;

Индикатори, свързани с G/D;

RBM (режим на радиално дишане);

Формата на пика се променя преди и след пречистване.

Сред тях пикът D обикновено е свързан с дефекти и неподредени въглеродни структури, докато пикът G отразява повече графитизирани sp² въглеродни структури. Следователно, ако процесът на пречистване намалява металния остатък, но същевременно показва значително увеличени дефекти в Raman, той не може просто да се счита за по-добър резултат от пречистването.

VI. Какво могат да видят съответно XPS и TEM?

XPS е по-подходящ за анализиране на химичните състояния на повърхността, докато TEM е по-подходящ за директно наблюдение на морфологията на въглеродните нанотръби и остатъчните частици.

Двата метода решават различни проблеми.

Следователно, когато купувате прах от въглеродни нанотръби с една-стенна стена с висока{0}}чистота, ако доставчикът предостави само едно SEM изображение без TGA, Raman или данни от елементен анализ, е трудно да се прецени напълно чистотата на партидата.

VII. Как точно трябва да се разбира „99% чистота“ на едно-стенни въглеродни нанотръби?

За чистота на SWCNT от 99%, първото нещо, което трябва да се изясни, е „с какъв показател се определят 99%“, тъй като чистотата, получена чрез различни методи за изпитване, не представлява непременно една и съща концепция.

Например:

Въглеродна чистота;

съдържание на SWCNT;

Метален остатък;

Съдържание на пепел;

TGA-изчислена чистота;

Raman оценка;

Съдържание на конкретен елемент.

Тези индикатори не могат да бъдат напълно взаимозаменяеми.

По-разумен подход за възлагане на обществена поръчка е да се изисква от доставчиците да изяснят: дефиниция на чистота + метод на тестване + данни за партидата

Това е: дефиниция на чистотата + метод на тестване + партидни данни.

Например:

Това е по-ценно за справка, отколкото просто да гледате процент на продуктова страница.

VIII. Най-трудната част от пречистването на едно-стенни въглеродни нанотръби всъщност е „запазването на ефективната структура“

Наистина високо{0}}качественото пречистване на SWCNT не преследва най-ниските примеси, а постига баланс между чистота, структурна цялост и крайна производителност.

За различните приложения изискванията на клиента за "чистота" всъщност не са напълно еднакви.

Например:

Проводими агенти за батерии

Ключовите точки обикновено включват:

Метален остатък;

Чистота на въглеродните нанотръби;

Възможност за дисперсия;

Дължина на тръбата;

Възможност за образуване на проводяща мрежа;

Съвместимост със системи катод/анод суспензия.

Електронни/полупроводникови материали

Повече внимание върху:

Хиралност;

Диаметър на тръбата;

Съотношение метал/полупроводник;

дефекти;

Оптични и електронни характеристики.

Полимерни композитни материали

В допълнение към чистотата, вземете предвид и:

Състояние на повърхността;

Дължина на тръбата;

Стабилност на дисперсията;

Съвместимост със смола;

Дали е необходима допълнителна функционализация.

И така: SWCNT, всички номинално обозначени с 99%, не са непременно подходящи за всички приложения.

IX. Какви са обичайните методи за пречистване на прах от едно-стенни въглеродни нанотръби?

Понастоящем пречистването на SWCNT обикновено използва процеси на окисляване, обработка с киселина, физическо разделяне и много{0}}комбинирани процеси. Различните методи са насочени към различни примеси.

Често срещаните маршрути могат да бъдат обобщени като:

① Лечение с киселина

Използва се главно за отстраняване на метални катализатори и някои въглеродни примеси.

Общите системи включват:

НС1;

HNO3;

H₂SO₄/HNO3 и други киселинни системи.

Предимството е, че отстраняването на метала е сравнително директно, но интензивността на обработката изисква строг контрол.

② Термично окисление

Използва разликите в окислителната активност на различни въглеродни материали за преференциално отстраняване на малко аморфен въглерод.

Проблемът е: SWCNTs също претърпяват окисляване, така че температурата и времевият прозорец са много критични.

③ Физическа раздяла

Включва:

центрофугиране;

филтриране;

Разделяне на размера;

Разделяне,-свързано с плътността.

④ Химическа и физическа комбинация

Това е посока, която заслужава повече внимание.

Например: Окисляване/предварителна -обработка → Излагане на катализатор → Промиване с киселина → Разделяне → Почистване → Изсушаване

Различните стъпки се справят с различни задачи, вместо да се опитват да разрешат всички примеси с един силен реагент.

X. Защо все още е необходимо цялостно почистване след пречистване на въглеродни нанотръби с една-стена?

Завършването на пречистването не означава, че процесът е приключил. Остатъчни киселини, соли и метални йони също могат да повлияят на крайните характеристики на праха.

Особено за-третиран с киселина SWCNT прах, ако последващата-третиране е недостатъчна, остатъците може да включват:

киселина;

Метални йони;

соли;

Повърхностни оксиди;

Други странични-продукти за лечение.

Тези остатъци могат допълнително да засегнат:

pH на прах;

Стабилност на дисперсията;

Електрохимични характеристики;

интерфейс от композитен материал;

Последващи системи за течен тор.

Следователно, една наистина пълна технологична верига обикновено трябва да включва: Пречистване → Разделяне на твърдо-течно вещество → Многократни почиствания → Сушене → Обработка на прах → Тестване на готовия продукт.

XI. Защо SWCNT с висока-чистота все още могат да бъдат трудни за диспергиране?

Високата чистота и високата диспергируемост са два различни показателя. SWCNTs след пречистване все още могат да образуват снопове-подобни агломерати поради силни-междутръбни взаимодействия.

Това е момент, който много купувачи лесно объркват.

SWCNT имат много високо аспектно съотношение и между тръбите съществуват очевидни ван дер Ваалсови взаимодействия. Следователно, дори след отстраняване на повечето метали и аморфен въглерод, това не означава, че прахът автоматично ще образува отделна тръбна дисперсия.

И така: чистотата решава „колко примеси има“, докато диспергируемостта решава „как въглеродните нанотръби съществуват една спрямо друга“.

Двете трябва да бъдат тествани и оценени отделно.

За клиенти, които трябва да приготвят водни суспензии, NMP суспензии или полимерни композитни материали, те не могат само да попитат: "Каква е чистотата на SWCNT?"

Те трябва също така да попитат: "В моята система за разтворители и формули какво състояние на дисперсия може да се постигне?"

XII. Какви данни трябва да се сравняват преди и след пречистване на прах от въглеродни нанотръби с единични-стени?

Най-ценното нещо е да не се разглежда само един индикатор, а да се сравнят пълните промени в данните преди и след пречистването.

Относително практична рамка за оценка е следната:

Най-важното изречение тук е: „намаляване на примесите“ и „запазване на характеристиките на материала“ трябва да са валидни едновременно.

XIII. Като производител на прахообразни-въглеродни нанотръби с една стена, на какви предимства трябва да се оценява Shandong Tanfeng?

За едно{0}}стенни въглеродни нанотръби на прах, основното предимство на производителя не е просто „да може да произвежда“, но дали може да свързва суровини, пречистване, изпитване и изисквания за приложение.

Като производител на прахообразни-въглеродни нанотръби с една стена, Shandong Tanfeng може да установи диференциация от следните измерения в разработването на продукти и избора на клиенти:

1. Започвайки от спецификациите на праха, а не от едно число за чистота

Различните клиенти не се нуждаят от напълно идентични SWCNT.

Действителната селекция може да се комбинира около:

Диаметър на тръбата;

Дължина на тръбата;

чистота;

Метален остатък;

ниво на дефект;

прахообразно състояние;

Химично състояние на повърхността;

Дисперсионна система.

2. По-голям акцент върху последователността на партидите

За промишлени клиенти една партида от продукти, отговарящи на спецификациите, не означава, че дългосрочната-доставка няма да има проблеми.

Това, което наистина влияе върху производството, често е: Съгласуваност от-към-партида.

Особено за непрекъснати производствени системи, като суспензии за батерии и проводими композитни материали, колебанията на праха могат допълнително да се засилят до:

Вискозитет на кашата;

Време на дисперсия;

Проводимо изпълнение;

Ефективност на покритието;

Консистенция на крайния продукт.

3. Съвпадение на продуктите според сценариите за приложение

Shandong Tanfeng може да съпостави спецификациите на SWCNT прах за различни нужди на приложение, вместо просто да използва един и същ модел, за да покрие всички клиенти.

Например:

Следователно стойността, която един производител наистина може да предостави, не е просто да „продаде торба SWCNT прах“, а да помогне на клиентите да намерят параметри на материала, които съответстват на тяхната система за приложение.

XIV. Какви данни трябва да се изискват от производителите при закупуване на прах от въглеродни нанотръби с една-стенна стена с висока-чистота?

Ако целта на поръчката е промишлено приложение, се препоръчва да се изисква от производителите да предоставят пълни сертификати за автентичност и ключови характеристики на данните, вместо само да разглеждат описанията за „висока чистота“ на уебсайта.

Ключови въпроси, които да зададете:

Как се определя чистотата на SWCNT?

Какво е съдържанието на остатъчна пепел на TGA?

Какво представляват съответно Fe, Co, Ni и други метали?

Предоставени ли са Raman данни?

Какво е ID/IG?

Предоставени ли са данни за RBM?

Има ли TEM или SEM изображения?

Какъв е средният диаметър на тръбата?

Каква е средната дължина на тръбата или диапазон на дължина?

Подложен ли е на киселинна обработка или окислителна обработка?

Има ли повърхностна функционализация?

Индикаторите стабилни ли са между различните партиди?

Могат ли да се предоставят проби за тестване?

Могат ли спецификациите да бъдат съпоставени според системата за приложение?

Специално внимание: Ако производителят ви каже само „чистота 99,9%“, но не може да обясни метода на тестване за това число, тогава информационното съдържание на самото това число всъщност е ограничено.

XV. Защо цената на праха от въглеродни нанотръби с една-стена обикновено се променя с по-висока чистота?

Цената на SWCNTs с висока{0}}чистота идва не само от самите въглеродни нанотръби, но и от загубите при пречистване, ефективността на разделяне, тестването и контрола на партидите.

В действителното производство пречистването често означава:

Загуба на суровини;

Химическа обработка;

Многократно почистване;

Разделяне на твърди-течни вещества;

сушене;

Тестване;

Увеличено време на процеса.

Освен това пречистването не се извършва безкрайно.

Ако по-нататъшното намаляване на примесите доведе до загуба или унищожаване на голямо количество SWCNTs, тогава крайният ефективен добив на продукта всъщност намалява.

Следователно промишлените поръчки трябва да се съсредоточат повече върху: чистота + добив + структурна цялост + консистенция на партидата + производителност на приложението

Вместо просто да преследвате най-високо число на чистота.

XVI. Основните трудности при пречистването на прах от въглеродни нанотръби с една стена- могат да бъдат обобщени в кои 3 точки?

Това, което е наистина трудно при пречистването на SWCNT, е едновременното решаване на трите проблема за "селективност, цялост и последователност".

Първо, селективност

Примесите като метални катализатори и аморфен въглерод трябва да бъдат атакувани възможно най-много, като същевременно се намали въздействието върху самите SWCNT.

Второ, структурна цялост

Въпреки че обработката със силно окисляване може да подобри ефективността на отстраняване на определени примеси, тя може едновременно да генерира дефекти, да скъси дължината на тръбата или да промени химическия състав на повърхността. Следователно процесът на пречистване трябва да зададе разумен прозорец.

Трето, последователност

Получаването на една проба с висока{0}}чистота в лабораторията не означава, че промишленото производство може непрекъснато да получава един и същ продукт. За един истински производител на прах от въглеродни нанотръби с една-стенна стена стабилният партиден контрол често е по-важен от еднократните екстремни показатели.

XVII. ЧЗВ: Пречистване на прах от-въглеродни нанотръби с една стена

1. Защо прахът от въглеродни нанотръби с една стена- се нуждае от пречистване?

Тъй като оригиналните SWCNT продукти обикновено съдържат метални катализатори, аморфен въглерод, графитиран въглерод и други въглеродни примеси.

Тези примеси влияят на чистотата на праха, както и на някои електрически, оптични и композитни свойства на материала.

2. Какво представлява 99% чистота на едно-стенни въглеродни нанотръби?

Първо потвърдете дефиницията и метода на тестване на "99%."

Може да съответства на различни методи за изчисляване на чистотата, така че качеството на материала не може да се прецени с един процент.

3. Може ли азотната киселина да се използва за пречистване на SWCNT?

Може да се използва за отстраняване на някои метални катализатори, но условията на обработка изискват строг контрол.

Изследванията показват, че азотната киселина може да намали металните остатъци, но силната обработка може едновременно да причини очевидно увреждане на SWCNT, така че не може просто да се разбира като "колкото по-силна е киселината, толкова по-висока е чистотата, толкова по-добре."

4. Може ли TGA да открие чистотата на SWCNT?

TGA може да помогне при оценката на металните остатъци и характеристиките на топлинната загуба на тегло, но не може сам напълно да дефинира чистотата на SWCNT.

Най-добре е да комбинирате Raman, XPS и TEM/SEM данни за преценка.

5. По-добър ли е по-високият Raman ID/IG?

Обикновено не. Повишеният ID/IG често означава увеличен дял на дефекти или неподреден въглерод.

Но специфичната преценка трябва да се комбинира с типа SWCNT, условията на изпитване и изискванията за приложение. Данните от различни доставчици не могат просто да се сравняват извън системата за тестване.

6. Задължително ли е SWCNT с висока{1}}чистота по-лесни за диспергиране?

Не. Чистотата и диспергируемостта са различни показатели. Дори ако металите и аморфният въглерод са били ефективно отстранени, SWCNTs все още могат да образуват снопове-подобни агломерати поради силни взаимодействия.

7. Как да изберем производител на прах от въглеродни нанотръби-с една стена?

Препоръчително е да се даде приоритет на сравняване на системи за тестване, консистенция на партиди, продуктови спецификации и възможност за съпоставяне на приложения, вместо само сравняване на число за чистота. За промишлени клиенти е най-добре първо да се извърши тестване на проби от малки-партиди, след което да се определи крайният модел въз основа на действителната суспензия или система от композитни материали.

Наистина високо{0}}качественият-прах от въглеродни нанотръби с една стена не е просто „висока чистота“

Същността на пречистването на прах от едностенни въглеродни нанотръби е намаляването на металните катализатори и въглеродните примеси, като същевременно се запазва структурата, дължината и присъщите свойства на стената на SWCNT тръбата, доколкото е възможно.

От текущите публични изследвания пречистването на SWCNT е формирало множество технически пътища, включително киселинно третиране, термично окисление, физическо разделяне, електрохимично третиране и много{0}}етапни комбинирани процеси. Различните маршрути имат свои собствени приложими обхвати и има също-компромис между ефективността на пречистване и структурните щети.

За купувачите, вместо просто да търсят прах от въглеродни нанотръби с една -стенна стена с „най-висока чистота“, е по-добре да се съсредоточат върху: Дефиниция на чистотата → Метален остатък → Съдържание на пепел → Raman → Диаметър на тръбата/дължина на тръбата → Състояние на повърхността → Консистенция на партидата → Действителна производителност на приложение.

Като производител на прахообразни-въглеродни нанотръби с една стена, Shandong Tanfeng може да съчетае материали за различни нужди на приложение от измерения като спецификации на прах, контрол на качеството на пречистване и тестване на продукта. За клиентите, които трябва да ги използват в проводими агенти за батерии, проводящи композитни материали, електронни материали и други приложения с висока-производителност, този подход за съвпадение от края на производството до края на приложението е по-практически ценен от простото сравняване на число "99%" или "99,9%".

Най-надеждният стандарт за окончателна преценка дали даден SWCNT прах е подходящ за вашия продукт остава: Ясни данни от тестване + Стабилно качество на партидата + Действителни резултати от теста с крайната формула.