Kokie yra anglies nanovamzdelių paruošimo būdai?

1. Kaip „auginami“ anglies nanovamzdeliai?

Anglies nanovamzdeliai nėra kasami iš žemės; jie „auginami“ laboratorijose. Anglies atomai persitvarko tam tikrais būdais, susisukdami į tuščiavidures vamzdines struktūras-. Tai procesas, panašus į grafeno popieriaus lapo sukimąsi į šiaudelį.

Nuo pat atradimo 1991 m. mokslininkai sukūrė įvairius metodus, kaip paruošti šią „super medžiagą“. Tarp jų lankinio išlydžio metodas, lazerio abliacijos metodas ir cheminio nusodinimo garais (CVD) metodas yra trys labiausiai paplitę metodai. Šiame straipsnyje aptariami kiekvieno metodo ypatumai,{3}}kaip jie veikia, atitinkami privalumai ir trūkumai ir kuris iš jų labiau tinka pramoninei gamybai.

2. Išsamus trijų pagrindinių paruošimo metodų paaiškinimas

2.1 Lankinio iškrovimo metodas: „Tradiciškiausias“ metodas

Lankinio išlydžio metodas buvo pirmasis metodas, naudojamas CNT atrasti ir gali būti laikomas „veteranine“ technologija.

Kaip tai veikia?
Į reaktorių įvedamos inertinės dujos (paprastai helis arba argonas), o kaip anodas ir katodas naudojami du grafito strypai. Kai naudojama nuolatinė srovė, grafitas prie anodo išgaruoja aukštoje temperatūroje, o anglies atomai persitvarko, sudarydami CNT, nusėdę kaip „suodžiai“ ant katodo paviršiaus ir reaktoriaus sienelių.

Produktų skirtumai:

Kelių{0}}sienių CNT:Gali būti sintetinamas tiesiogiai naudojant gryno grafito elektrodus.

Vienos{0}}sienos CNT:Į anodą reikia pridėti metalinių katalizatorių, tokių kaip geležis, kobaltas arba nikelis.

Privalumai:

Didelis gaminio kristališkumas ir tobula struktūra{0}}mažai sienų defektų, didelis grafitizacijos laipsnis.

Palyginti brandi technologija, paprasta įranga.

Geriausia produkto kokybė tarp trijų metodų.

Trūkumai:

Didelis energijos suvartojimas, reikalaujantis didelio vakuumo ir specifinių temperatūros sąlygų.

Mažas derlius; sunku ekonomiškai padidinti.

Produktai yra sumaišyti su dideliais kiekiais amorfinės anglies, fullerenų ir kitų priemaišų, todėl reikia atlikti valymo etapus.

Metaliniai ir puslaidininkiniai CNT yra sumaišomi ir negali būti atskirti.

Reikia periodiškai keisti elektrodus ir taikinius.

Santrauka:Gera kokybė, bet mažas derlius ir daug priemaišų; netinka pramoninei didelio masto{0}}gamybai.

2.2 Lazerinės abliacijos metodas: didžiausias tikslumas, mažiausia išeiga

Apie lazerinės abliacijos metodą Guo ir jo kolegos pirmą kartą pranešė 1995 m. ir jį galima laikyti „atnaujinta lankinio iškrovimo metodo versija“.

Kaip tai veikia?
Aukštos -temperatūros (800–1500 laipsnių) inertinėje atmosferoje didelės-energijos lazerio spindulio impulsas bombarduoja kietą grafito taikinį, sumontuotą kvarciniame vamzdyje, jį išgaruodamas. Anglies atomai vėl susirenka į CNT, kurie vėliau surenkami kaip anglies{5}} suodžiai aparato viduje.

Privalumai:

Sintetiniai CNT pasižymi dideliu struktūriniu tobulumu.

Gali gaminti SWCNT be MWCNT priemaišų.

Gali kontroliuoti specifinių chiralybių (pvz., (10,10) CNT) gamybą.

Sukuria mažiau amorfinės anglies priemaišų.

Trūkumai:

Sudėtinga ir brangi įranga; didelė lazerio kaina.

Itin mažas derlius{0}}tik miligramų kiekis vienam preparatui.

Didelis energijos suvartojimas; reikalauja aukštos temperatūros ir slėgio sąlygų.

Taip pat turi priemaišų problemų, kurias reikia išvalyti.

Įtakojantys veiksniai:Taikinio cheminė sudėtis, lazerio galia ir bangos ilgis bei atstumas tarp pagrindo ir taikinio turi įtakos produkto išeigai ir kokybei.

Santrauka:Didžiausias tikslumas ir grynumas, tačiau derlius apgailėtinai mažas; tinka tik mechaniniams tyrimams laboratorijose.

2.3 Cheminis nusodinimas iš garų (CVD): industrializacijos „darbo arkliukas“.

CVD metodas šiuo metu yra pagrindinis pramoninės gamybos pasirinkimas ir yra perspektyviausias būdas pasiekti didelio masto{0}}gamybą.

Kaip tai veikia?
Angliavandeniliai arba anglies -turintys oksidai (pvz., metanas, acetilenas, etilenas) įvedami į aukštos -temperatūros vamzdžių krosnį, kurioje yra metalinių katalizatorių (geležies, kobalto, nikelio ir kt.). Dujos suyra ant katalizatoriaus paviršiaus, o anglies atomai persitvarko, sudarydami CNT.

Įrangos tipai:Horizontalieji reaktoriai, vertikalūs reaktoriai, vertikalūs reaktoriai ir kt.

Kodėl CVD tapo įprasta?

Žemesnė temperatūra:Reakcijos temperatūra (600–1000 laipsnių) yra daug žemesnė nei lankinio išlydžio ir lazerio metodų (virš 3000 laipsnių).

Nuolatinė gamyba:Dujos nuolat įvedamos, CNT nuolat auga, todėl galima nuolat veikti.

Didelis derlius:Vieno reaktoriaus gamybos pajėgumas gerokai viršija kitų dviejų būdų gamybos pajėgumus.

Geras valdymas:Reguliuojant tokius parametrus kaip katalizatorius, temperatūra ir dujų srautas, galima valdyti CNT skersmenį, ilgį ir struktūrą.

Trūkumai:

Gaminiai turi daugiau struktūrinių defektų; grafitizacijos laipsnis nėra toks didelis, kaip taikant lankinio išlydžio metodą.

Gali sulaikyti katalizatoriaus metalo priemaišas, kurias reikia išvalyti.

Katalizatoriaus pasirinkimas yra labai svarbus{0}}katalizatorius tiesiogiai lemia produkto kokybę ir išeigą.

Santrauka:CVD metodas yra optimalus pasirinkimas industrializacijai,{0}}nors grynumas yra šiek tiek prastesnis nei pirmųjų dviejų metodų, jis turi daug pranašumų, susijusių su išeiga, kaina ir valdomumu.

3. Trijų metodų palyginimo santrauka

Pagrindinė išvada:Lankinio išlydžio ir lazerinės abliacijos metodai tinka ruošiant aukštos{0}kokybės mėginius laboratorijose; CVD metodas yra vienintelis pasirinkimas pramoninei didelio masto{1}}gamybai.

4. Pažangi CVD technologija: nuo laboratorijos iki dešimties{1}}tūkst.- tonų

Pati CVD technologija nuolat tobulėja. Be tradicinio terminio CVD, buvo sukurti pažangūs metodai, pvz., plazma{1}}patobulintas CVD (PECVD) ir mikrobangų plazminis CVD. Jie gali auginti CNT dar žemesnėje temperatūroje ir tiksliau valdyti vamzdžių išlygiavimą ir orientaciją.

Kinijos įmonių proveržiai CVD industrializacijoje:

„Shandong Tanfeng“ yra viena iš nedaugelio šalies įmonių, kurios įvaldė pagrindinę anglies nanomedžiagų gamybos dujinės fazės{0}}technologiją. Naudojant visiškai automatizuotą valdymą, produkto išeiga padidinta iki daugiau nei 99%. Dabar gamybos pajėgumai buvo išplėsti iki 2000 tonų per metus, todėl tai yra viena didžiausių CNT gamybos bazių pasaulyje.

5. Gamintojų pranašumai: CVD technologijos pavertimas iš „pajėgios“ į „lengva naudoti“

Kaip CNT gamintojas, pasirinkome CVD technologijos kelią ir padarėme keletą konkrečių dalykų industrializacijos lygmeniu:

Pagrindinės katalizatoriaus projektavimo ir paruošimo technologijos įsisavinimas.Taikant CVD metodą, katalizatorius yra „siela“-ji tiesiogiai nustato CNT skersmenį, sienelių skaičių ir išeigą. Nepriklausomai sukurtos katalizatoriaus sistemos dėka pasiekėme tikslią gaminio struktūros kontrolę, siaurą skersmens pasiskirstymą ir gerą partijos-prie{3}}konsistenciją.

Išvengti reaktoriaus mastelio-didinimo kliūtis.Tradiciniai CVD reaktoriai turi mažą{0}}vieno bloko gamybos pajėgumą. Norint pastatyti dešimties -tūkst.- tonų gamyklą, reikėtų dešimčių lygiagrečiai veikiančių įrenginių, o tai reikalauja didelių investicijų ir sudėtingo valdymo. Pritaikėme trečiosios-kartos didelio-masto reaktorių, kuriame vieno bloko pajėgumas kelis kartus didesnis nei tradicinės įrangos, todėl žymiai sumažėja energijos sąnaudos ir darbo sąnaudos.

Šiuo metu mūsų CNT produktai yra plačiai naudojami ličio baterijų laidžiuose prieduose, skirtuose naujoms energijos transporto priemonėms, pažangiems polimerų kompozitams, elastomerams, kosmoso, geležinkelių transportui, vėjo energijos gamybai ir kitose srityse. Nuo žaliavų iki reaktorių, nuo katalizatorių iki valymo ir dispersijos – mes įvaldėme visą CVD gamybos CNT technologijų grandinę, įsipareigoję pristatyti šią „super medžiagą“ į tūkstančius pramonės šakų.