Какви са методите за получаване на въглеродни нанотръби?

1. Как се „отглеждат“ въглеродните нанотръби?

Въглеродните нанотръби не се добиват от земята; те се "отглеждат" в лаборатории. Въглеродните атоми се пренареждат по специфични начини, свивайки се в кухи тръбни структури-процес, подобен на навиването на лист графенова хартия в сламка.

От откриването им през 1991 г. учените са разработили различни методи за приготвяне на този „супер материал“. Сред тях методът на дъговия разряд, методът на лазерна аблация и методът на химическо отлагане на пари (CVD) са трите най-масови подхода. Тази статия обсъжда спецификата на всеки метод-как работят, съответните им предимства и недостатъци и кой е по-подходящ за индустриално производство.

2. Подробно обяснение на трите основни метода за приготвяне

2.1 Метод с електродъгов разряд: „Най-традиционният“ метод

Методът с електродъгов разряд е първият метод, използван за откриване на CNTs и може да се счита за "ветеран" технология.

Как действа?
Инертен газ (обикновено хелий или аргон) се въвежда в реактор и две графитни пръчки се използват като анод и катод. Когато се приложи постоянен ток, графитът на анода се изпарява от високата температура и въглеродните атоми се пренареждат, за да образуват CNT, отлагайки се като "сажди" върху повърхността на катода и стените на реактора.

Разлики в продуктите:

Много{0}}стенни CNT:Може да се синтезира директно с чисти графитни електроди.

CNT с една-стена:Изисквайте добавяне на метални катализатори като желязо, кобалт или никел към анода.

Предимства:

Висока кристалност на продукта и перфектна структура-малко дефекти по стените, висока степен на графитизация.

Сравнително зряла технология, просто оборудване.

Най-добро качество на продукта сред трите метода.

Недостатъци:

Висока консумация на енергия, изискваща висок вакуум и специфични температурни условия.

Нисък добив; трудно се разширява икономически.

Продуктите се смесват с големи количества аморфен въглерод, фулерени и други примеси, изискващи 繁琐 стъпки за пречистване.

Металните и полупроводниковите CNT са смесени заедно и не могат да бъдат разделени.

Изисква периодична подмяна на електроди и мишени.

Резюме:Добро качество, но нисък добив и високи примеси; не е подходящ за промишлено-мащабно производство.

2.2 Метод на лазерна аблация: най-висока прецизност, най-нисък добив

Методът на лазерна аблация е докладван за първи път от Гуо и колегите му през 1995 г. и може да се счита за "модернизирана версия" на метода с дъгов разряд.

Как действа?
Във високо-температурна (800–1500 градуса) инертна атмосфера импулс от високо-енергиен лазерен лъч бомбардира твърда графитна мишена, монтирана в кварцова тръба, като я изпарява. Въглеродните атоми се сглобяват отново в CNT, които след това се събират като въглерод-базирани сажди вътре в апарата.

Предимства:

Синтезираните CNT имат високо структурно съвършенство.

Може да произвежда SWCNT без MWCNT примеси.

Може да контролира производството на специфични хирали (напр. (10,10) CNT).

Произвежда по-малко аморфни въглеродни примеси.

Недостатъци:

Сложно и скъпо оборудване; висока цена на лазера.

Изключително нисък добив-само количества милиграм за препарат.

Висока консумация на енергия; изисква условия на висока температура и налягане.

Също така има проблеми с примесите, изискващи 后续 пречистване.

Влияещи фактори:Химическият състав на мишената, мощността и дължината на вълната на лазера и разстоянието между субстрата и мишената влияят върху добива и качеството на продукта.

Резюме:Най-висока прецизност и чистота, но добивът е жалко нисък; подходящи само за механични изследвания в лаборатории.

2.3 Химично отлагане на пари (CVD): „Работният кон“ на индустриализацията

Методът CVD понастоящем е основният избор за индустриално производство и е най-обещаващият метод за постигане на широкомащабно-производство.

Как действа?
Въглеводороди или въглерод-съдържащи оксиди (напр. метан, ацетилен, етилен) се въвеждат във високо-температурна тръбна пещ, съдържаща метални катализатори (желязо, кобалт, никел и др.). Газът се разлага върху повърхността на катализатора и въглеродните атоми се пренареждат, за да образуват CNT.

Видове оборудване:Хоризонтални реактори, реактори с кипящ слой, вертикални реактори и др.

Защо ССЗ стана масово?

По-ниска температура:Реакционната температура (600–1000 градуса) е много по-ниска от тази на електродъговия разряд и лазерните методи (над 3000 градуса).

Непрекъснато производство:Газът се въвежда непрекъснато, CNT непрекъснато нарастват, което позволява непрекъсната работа.

Висок добив:Производственият капацитет на единичен реактор далеч надхвърля този на другите два метода.

Добра управляемост:Чрез регулиране на параметри като катализатор, температура и дебит на газ, диаметърът, дължината и структурата на CNT могат да бъдат контролирани.

Недостатъци:

Продуктите имат повече структурни дефекти; степента на графитизация не е толкова висока, колкото при метода с електродъгов разряд.

Може да задържа примеси от метални катализатори, което изисква пречистване.

Изборът на катализатор е критичен-катализаторът директно определя качеството и добива на продукта.

Резюме:Методът CVD е оптималният избор за индустриализация-въпреки че чистотата е малко по-ниска от първите два метода, той има всеобхватни предимства по отношение на добива, разходите и възможността за контрол.

3. Резюме на сравнението на трите метода

Основно заключение:Методите за електродъгов разряд и лазерна аблация са подходящи за подготовка на високо{0}}качествени проби в лаборатории; методът CVD е единственият избор за широкомащабно промишлено-производство.

4. Усъвършенствана CVD технология: от лаборатория до мащаб от десет-хиляди-тона

Самата CVD технология непрекъснато се развива. В допълнение към традиционното термично CVD са разработени усъвършенствани техники като плазмено-усилено CVD (PECVD) и микровълнова плазмено CVD. Те могат да отглеждат CNT при още по-ниски температури и да осигурят по-прецизен контрол върху подравняването и ориентацията на тръбата.

Пробив в индустриализацията на CVD от китайски компании:

Shandong Tanfeng е една от малкото местни компании, които са усвоили основната технология за производство на въглеродни наноматериали чрез метода на газовата-фаза. Използвайки напълно автоматизирано управление, добивът на продукта е увеличен до над 99%. Производственият капацитет вече е разширен до 2000 тона годишно, което го прави една от най-големите производствени бази на CNT в света.

5. Предимства на производителите: Превръщане на CVD технологията от „способна“ в „лесна за използване“

Като производител на CNT, ние избрахме пътя на CVD технологията и направихме няколко конкретни неща на ниво индустриализация:

Овладяване на основната технология за проектиране и подготовка на катализатора.При CVD метода катализаторът е „душата“-той директно определя диаметъра, броя на стените и добива на CNT. Чрез нашата независимо разработена каталитична система постигнахме прецизен контрол върху структурата на продукта, с тясно разпределение на диаметъра и добра консистенция на партида-{3}}на партида.

Преодоляване на препятствията на увеличаването-на реактора.Традиционните CVD реактори имат нисък производствен-капацитет на единична единица. Изграждането на завод от десет-хиляди-тона ще изисква десетки единици, работещи паралелно, което включва големи инвестиции и трудно управление. Приехме трето{5}}поколение широкомащабен-дизайн на реактор, където капацитетът на единична единица е няколко пъти по-голям от традиционното оборудване, което значително намалява консумацията на енергия и разходите за труд.

Понастоящем нашите CNT продукти се използват широко в проводимите добавки за литиеви батерии за нови енергийни превозни средства, усъвършенствани полимерни композити, еластомери, аерокосмически, железопътен транспорт, генериране на вятърна енергия и други области. От суровини до реактори, от катализатори до пречистване и дисперсия, ние усвоихме цялата верига от технологии за CVD производство на CNTs, ангажирани да внедрим този „супер материал“ в хиляди индустрии.