Kādas ir oglekļa nanocauruļu sagatavošanas metodes?

1. Kā tiek "audzētas" oglekļa nanocaurules?

Oglekļa nanocaurules netiek iegūtas no zemes; tos "audzē" laboratorijās. Oglekļa atomi pārkārtojas noteiktos veidos, saritinot dobās cauruļveida struktūrās,{1}}kas ir līdzīgs grafēna papīra loksnes velmēšanai salmiņā.

Kopš to atklāšanas 1991. gadā zinātnieki ir izstrādājuši dažādas metodes šī "supermateriāla" sagatavošanai. Starp tām loka izlādes metode, lāzera ablācijas metode un ķīmiskā tvaiku pārklāšanas (CVD) metode ir trīs visizplatītākās pieejas. Šajā rakstā ir apskatītas katras metodes specifika,{3}}kā tās darbojas, to attiecīgās priekšrocības un trūkumi, kā arī par to, kura metode ir piemērotāka rūpnieciskai ražošanai.

2. Trīs galveno sagatavošanas metožu detalizēts skaidrojums

2.1. Loka izlādes metode: "tradicionālākā" metode

Loka izlādes metode bija pirmā metode, ko izmantoja, lai atklātu CNT, un to var uzskatīt par "veterānu" tehnoloģiju.

Kā tas darbojas?
Reaktorā ievada inertu gāzi (parasti hēliju vai argonu), un kā anodu un katodu izmanto divus grafīta stieņus. Kad tiek pielietota līdzstrāva, grafīts pie anoda tiek iztvaicēts augstā temperatūrā, un oglekļa atomi pārkārtojas, veidojot CNT, nogulsnējot kā "kvēpi" uz katoda virsmas un reaktora sienām.

Produktu atšķirības:

Vairāku{0}}sienu CNT:Var sintezēt, izmantojot tieši tīra grafīta elektrodus.

Vienas{0}}sienas CNT:Anodam jāpievieno metāla katalizatori, piemēram, dzelzs, kobalts vai niķelis.

Priekšrocības:

Augsta izstrādājuma kristāliskums un perfekta struktūra-mazi sienu defekti, augsta grafitizācijas pakāpe.

Salīdzinoši nobriedusi tehnoloģija, vienkāršs aprīkojums.

Labākā produkta kvalitāte starp trim metodēm.

Trūkumi:

Augsts enerģijas patēriņš, kam nepieciešams augsts vakuums un īpaši temperatūras apstākļi.

Zema raža; ir grūti ekonomiski palielināt.

Produkti ir sajaukti ar lielu daudzumu amorfā oglekļa, fullerēnu un citiem piemaisījumiem, kam nepieciešamas attīrīšanas darbības.

Metāla un pusvadītāju CNT ir sajaukti kopā, un tos nevar atdalīt.

Nepieciešama periodiska elektrodu un mērķu nomaiņa.

Kopsavilkums:Laba kvalitāte, bet zema raža un daudz piemaisījumu; nav piemērots rūpnieciskai liela mēroga{0}}ražošanai.

2.2. Lāzerablācijas metode: augstākā precizitāte, zemākā ražība

Par lāzerablācijas metodi Guo un kolēģi pirmo reizi ziņoja 1995. gadā, un to var uzskatīt par loka izlādes metodes "modernizētu versiju".

Kā tas darbojas?
Augstas -temperatūras (800–1500 grādi) inertā atmosfērā augstas-enerģijas lāzera stara impulss bombardē cietu grafīta mērķi, kas uzstādīts kvarca caurulē, iztvaicējot to. Oglekļa atomi atkal tiek savākti CNT, kas pēc tam tiek savākti kā kvēpi uz oglekļa{5}} bāzes aparāta iekšpusē.

Priekšrocības:

Sintezētajiem CNT ir augsta struktūras pilnība.

Var ražot SWCNT bez MWCNT piemaisījumiem.

Var kontrolēt specifisku hiralitātes veidošanos (piemēram, (10,10) CNT).

Rada mazāk amorfā oglekļa piemaisījumu.

Trūkumi:

Sarežģīts un dārgs aprīkojums; augstas lāzera izmaksas.

Īpaši zema raža{0}}tikai miligramu daudzums vienā preparātā.

Augsts enerģijas patēriņš; nepieciešami augstas temperatūras un spiediena apstākļi.

Ir arī problēmas ar piemaisījumiem, kas prasa attīrīšanu.

Ietekmējošie faktori:Mērķa ķīmiskais sastāvs, lāzera jauda un viļņa garums, kā arī attālums starp substrātu un mērķi ietekmē produkta ražu un kvalitāti.

Kopsavilkums:Augstākā precizitāte un tīrība, bet raža ir nožēlojami zema; piemērots tikai mehāniskiem pētījumiem laboratorijās.

2.3. Ķīmiskā tvaiku pārklāšana (CVD): industrializācijas "darba zirgs".

CVD metode pašlaik ir galvenā izvēle rūpnieciskajā ražošanā, un tā ir visdaudzsološākā metode liela mēroga{0}}ražošanas sasniegšanai.

Kā tas darbojas?
Ogļūdeņraži vai oglekli -saturoši oksīdi (piem., metāns, acetilēns, etilēns) tiek ievadīti augstas-temperatūras cauruļu krāsnī, kurā ir metāla katalizatori (dzelzs, kobalts, niķelis utt.). Gāze sadalās uz katalizatora virsmas, un oglekļa atomi pārkārtojas, veidojot CNT.

Aprīkojuma veidi:Horizontālie reaktori, verdošā slāņa reaktori, vertikālie reaktori utt.

Kāpēc CVD ir kļuvis par galveno?

Zemāka temperatūra:Reakcijas temperatūra (600–1000 grādi) ir daudz zemāka nekā loka izlādes un lāzera metodēm (virs 3000 grādiem).

Nepārtraukta ražošana:Gāze tiek nepārtraukti ievadīta, CNT nepārtraukti aug, ļaujot nepārtraukti darboties.

Augsta raža:Viena reaktora ražošanas jauda ievērojami pārsniedz pārējo divu metožu ražošanas jaudu.

Laba vadāmība:Pielāgojot tādus parametrus kā katalizators, temperatūra un gāzes plūsmas ātrums, var kontrolēt CNT diametru, garumu un struktūru.

Trūkumi:

Produktiem ir vairāk strukturālu defektu; grafitizācijas pakāpe nav tik augsta kā ar loka izlādes metodi.

Var saglabāt katalizatora metālu piemaisījumus, kam nepieciešama attīrīšana.

Katalizatora izvēle ir ļoti svarīga{0}}katalizators tieši nosaka produkta kvalitāti un ražu.

Kopsavilkums:CVD metode ir optimāla izvēle industrializācijai,{0}}lai gan tīrības pakāpe ir nedaudz zemāka par pirmajām divām metodēm, tai ir visaptverošas priekšrocības attiecībā uz ražu, izmaksām un vadāmību.

3. Trīs metožu salīdzināšanas kopsavilkums

Galvenais secinājums:Loka izlādes un lāzerablācijas metodes ir piemērotas augstas kvalitātes-paraugu sagatavošanai laboratorijās; CVD metode ir vienīgā izvēle rūpnieciskai liela mēroga{1}}ražošanai.

4. Uzlabota CVD tehnoloģija: no laboratorijas līdz desmit-tūkstoš- tonnu mērogā

Pati CVD tehnoloģija nepārtraukti attīstās. Papildus tradicionālajam termiskajam CVD ir izstrādātas tādas progresīvas metodes kā plazmas{1}}uzlabotā CVD (PECVD) un mikroviļņu plazmas CVD. Tie var audzēt CNT vēl zemākā temperatūrā un nodrošināt precīzāku cauruļu izlīdzināšanas un orientācijas kontroli.

Ķīnas uzņēmumu sasniegumi CVD industrializācijā:

Shandong Tanfeng ir viens no nedaudzajiem vietējiem uzņēmumiem, kas ir apguvis oglekļa nanomateriālu ražošanas pamattehnoloģiju, izmantojot gāzes{0}}fāzes metodi. Izmantojot pilnībā automatizētu vadību, produkta iznākums ir palielināts līdz vairāk nekā 99%. Tagad ražošanas jauda ir palielināta līdz 2000 tonnām gadā, padarot to par vienu no lielākajām CNT ražošanas bāzēm pasaulē.

5. Ražotāju priekšrocības: CVD tehnoloģiju pārveidošana no "spējīga" uz "viegli lietojama"

Kā CNT ražotājs esam izvēlējušies CVD tehnoloģiju ceļu un esam paveikuši vairākas konkrētas lietas industrializācijas līmenī:

Katalizatora projektēšanas un sagatavošanas pamattehnoloģijas apgūšana.CVD metodē katalizators ir "dvēsele"-tā tieši nosaka CNT diametru, sienu skaitu un iznākumu. Izmantojot mūsu neatkarīgi izstrādāto katalizatoru sistēmu, mēs esam panākuši precīzu produkta struktūras kontroli ar šauru diametra sadalījumu un labu partiju -uz-konsekvenci.

Atbrīvoties no reaktora mērogošanas-saskarsmes.Tradicionālajiem CVD reaktoriem ir zema{0}}vienas vienības ražošanas jauda. Desmit{2}}tūkstoš tonnu{3}} tonnu rūpnīcas celtniecībai būtu nepieciešami desmitiem vienību, kas darbotos paralēli, un tas būtu saistīts ar lieliem ieguldījumiem un sarežģītu pārvaldību. Mēs esam pieņēmuši trešās-paaudzes liela mēroga-reaktora dizainu, kurā vienas bloka jauda vairākas reizes pārsniedz tradicionālo iekārtu jaudu, ievērojami samazinot enerģijas patēriņu un darbaspēka izmaksas.

Pašlaik mūsu CNT produkti tiek plaši izmantoti litija akumulatoru vadošās piedevās jauniem enerģijas transportlīdzekļiem, progresīviem polimēru kompozītmateriāliem, elastomēriem, kosmosa, dzelzceļa transporta, vēja enerģijas ražošanā un citās jomās. No izejvielām līdz reaktoriem, no katalizatoriem līdz attīrīšanai un izkliedēšanai, mēs esam apguvuši visu tehnoloģiju ķēdi CNT CVD ražošanai, apņēmušies ieviest šo "supermateriālu" tūkstošiem nozaru.