Ποιες είναι οι μέθοδοι προετοιμασίας για νανοσωλήνες άνθρακα;

1. Πώς «αναπτύσσονται» οι νανοσωλήνες άνθρακα;

Οι νανοσωλήνες άνθρακα δεν εξορύσσονται από το έδαφος. «καλλιεργούνται» σε εργαστήρια. Τα άτομα άνθρακα αναδιατάσσονται με συγκεκριμένους τρόπους, κουλουριάζονται σε κοίλες σωληνοειδείς δομές-μια διαδικασία παρόμοια με την κύλιση ενός φύλλου χαρτιού γραφενίου σε ένα καλαμάκι.

Από την ανακάλυψή τους το 1991, οι επιστήμονες έχουν αναπτύξει διάφορες μεθόδους για να προετοιμάσουν αυτό το «σούπερ υλικό». Μεταξύ αυτών, η μέθοδος εκκένωσης τόξου, η μέθοδος αφαίρεσης με λέιζερ και η μέθοδος χημικής εναπόθεσης ατμών (CVD) είναι οι τρεις πιο βασικές προσεγγίσεις. Αυτό το άρθρο εξετάζει τις ιδιαιτερότητες κάθε μεθόδου-πώς λειτουργούν, τα αντίστοιχα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα και ποια είναι πιο κατάλληλη για βιομηχανική παραγωγή.

2. Λεπτομερής Επεξήγηση των Τριών Μεθόδων Προετοιμασίας Κύριων Συστημάτων

2.1 Μέθοδος εκκένωσης τόξου: Η "Πιο παραδοσιακή" μέθοδος

Η μέθοδος εκκένωσης τόξου ήταν η πρώτη μέθοδος που χρησιμοποιήθηκε για την ανακάλυψη CNT και μπορεί να θεωρηθεί μια «βετεράνος» τεχνολογία.

Πώς λειτουργεί;
Ένα αδρανές αέριο (συνήθως ήλιο ή αργό) εισάγεται σε έναν αντιδραστήρα και δύο ράβδοι γραφίτη χρησιμοποιούνται ως άνοδος και κάθοδος. Όταν εφαρμόζεται συνεχές ρεύμα, ο γραφίτης στην άνοδο εξατμίζεται από την υψηλή θερμοκρασία και τα άτομα άνθρακα αναδιατάσσονται για να σχηματίσουν CNT, εναποθέτοντας ως «αιθάλη» στην επιφάνεια της καθόδου και στα τοιχώματα του αντιδραστήρα.

Διαφορές στα προϊόντα:

CNT πολλαπλών-τοιχωμάτων:Μπορεί να συντεθεί με χρήση ηλεκτροδίων καθαρού γραφίτη απευθείας.

CNT μονού-τοίχου:Απαιτείται η προσθήκη μεταλλικών καταλυτών όπως σίδηρος, κοβάλτιο ή νικέλιο στην άνοδο.

Φόντα:

Υψηλή κρυσταλλικότητα προϊόντος και τέλεια δομή-λίγα ελαττώματα τοίχου, υψηλός βαθμός γραφιτοποίησης.

Σχετικά ώριμη τεχνολογία, απλός εξοπλισμός.

Καλύτερη ποιότητα προϊόντος μεταξύ των τριών μεθόδων.

Μειονεκτήματα:

Υψηλή κατανάλωση ενέργειας, που απαιτεί υψηλό κενό και συγκεκριμένες συνθήκες θερμοκρασίας.

Χαμηλή απόδοση; δύσκολο να αναβαθμιστεί οικονομικά.

Τα προϊόντα αναμιγνύονται με μεγάλες ποσότητες άμορφου άνθρακα, φουλερενίων και άλλων ακαθαρσιών, απαιτώντας βήματα καθαρισμού.

Μεταλλικοί και ημιαγώγιμοι CNT αναμιγνύονται μεταξύ τους και δεν μπορούν να διαχωριστούν.

Απαιτεί περιοδική αντικατάσταση ηλεκτροδίων και στόχων.

Περίληψη:Καλή ποιότητα, αλλά χαμηλή απόδοση και υψηλές ακαθαρσίες. δεν είναι κατάλληλο για βιομηχανική παραγωγή μεγάλης-κλίμακας.

2.2 Μέθοδος αφαίρεσης με λέιζερ: Υψηλότερη ακρίβεια, χαμηλότερη απόδοση

Η μέθοδος αφαίρεσης με λέιζερ αναφέρθηκε για πρώτη φορά από τον Guo και τους συνεργάτες του το 1995 και μπορεί να θεωρηθεί μια «αναβαθμισμένη έκδοση» της μεθόδου εκκένωσης τόξου.

Πώς λειτουργεί;
Σε μια αδρανή ατμόσφαιρα υψηλής-θερμοκρασίας (800–1500 μοίρες ), ένας παλμός δέσμης λέιζερ υψηλής-ενέργειας βομβαρδίζει έναν συμπαγή στόχο γραφίτη τοποθετημένο σε σωλήνα χαλαζία, εξατμίζοντάς τον. Τα άτομα άνθρακα επανασυναρμολογούνται σε CNT, τα οποία στη συνέχεια συλλέγονται ως αιθάλη-με βάση τον άνθρακα μέσα στη συσκευή.

Φόντα:

Τα συνθετικά CNT έχουν υψηλή δομική τελειότητα.

Μπορεί να παράγει SWCNT χωρίς ακαθαρσίες MWCNT.

Μπορεί να ελέγξει την παραγωγή συγκεκριμένων χειραλικών (π.χ. (10,10) CNTs).

Παράγει λιγότερες ακαθαρσίες άμορφου άνθρακα.

Μειονεκτήματα:

Πολύπλοκος και ακριβός εξοπλισμός. υψηλό κόστος λέιζερ.

Εξαιρετικά χαμηλή απόδοση-μόνο σε χιλιοστόγραμμα ανά παρασκεύασμα.

Υψηλή κατανάλωση ενέργειας; απαιτεί συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας και πίεσης.

Έχει επίσης προβλήματα ακαθαρσίας που απαιτούν καθαρισμό.

Παράγοντες που επηρεάζουν:Η χημική σύνθεση του στόχου, η ισχύς και το μήκος κύματος λέιζερ και η απόσταση μεταξύ του υποστρώματος και του στόχου επηρεάζουν την απόδοση και την ποιότητα του προϊόντος.

Περίληψη:Υψηλότερη ακρίβεια και καθαρότητα, αλλά η απόδοση είναι αξιολύπητα χαμηλή. κατάλληλο μόνο για μηχανιστική έρευνα σε εργαστήρια.

2.3 Εναπόθεση χημικών ατμών (CVD): Ο «εργάτης» της εκβιομηχάνισης

Η μέθοδος CVD είναι επί του παρόντος η κύρια επιλογή για τη βιομηχανική παραγωγή και είναι η πιο υποσχόμενη μέθοδος για την επίτευξη παραγωγής μεγάλης-κλίμακας.

Πώς λειτουργεί;
Υδρογονάνθρακες ή οξείδια που περιέχουν άνθρακα- (π.χ. μεθάνιο, ακετυλένιο, αιθυλένιο) εισάγονται σε έναν κλίβανο σωλήνων υψηλής{{3} θερμοκρασίας που περιέχει μεταλλικούς καταλύτες (σίδηρο, κοβάλτιο, νικέλιο, κ.λπ.). Το αέριο αποσυντίθεται στην επιφάνεια του καταλύτη και τα άτομα άνθρακα αναδιατάσσονται για να σχηματίσουν CNTs.

Τύποι εξοπλισμού:Οριζόντιοι αντιδραστήρες, αντιδραστήρες ρευστοποιημένης κλίνης, κάθετοι αντιδραστήρες κ.λπ.

Γιατί η CVD έχει γίνει mainstream;

Χαμηλότερη θερμοκρασία:Η θερμοκρασία αντίδρασης (600–1000 μοίρες) είναι πολύ χαμηλότερη από αυτή των μεθόδων εκκένωσης τόξου και λέιζερ (πάνω από 3000 μοίρες).

Συνεχής παραγωγή:Το αέριο εισάγεται συνεχώς, τα CNT αυξάνονται συνεχώς, επιτρέποντας τη συνεχή λειτουργία.

Υψηλή απόδοση:Η παραγωγική ικανότητα ενός μόνο αντιδραστήρα υπερβαίνει κατά πολύ εκείνη των άλλων δύο μεθόδων.

Καλή δυνατότητα ελέγχου:Με την προσαρμογή παραμέτρων όπως ο καταλύτης, η θερμοκρασία και ο ρυθμός ροής αερίου, μπορεί να ελεγχθεί η διάμετρος, το μήκος και η δομή των CNT.

Μειονεκτήματα:

Τα προϊόντα έχουν περισσότερα δομικά ελαττώματα. ο βαθμός γραφιτοποίησης δεν είναι τόσο υψηλός όσο με τη μέθοδο εκκένωσης τόξου.

Μπορεί να διατηρήσει ακαθαρσίες μετάλλων καταλύτη, που απαιτούν επεξεργασία καθαρισμού.

Η επιλογή καταλύτη είναι κρίσιμης σημασίας-ο καταλύτης καθορίζει άμεσα την ποιότητα και την απόδοση του προϊόντος.

Περίληψη:Η μέθοδος CVD είναι η βέλτιστη επιλογή για εκβιομηχάνιση-αν και η καθαρότητα είναι ελαφρώς κατώτερη από τις δύο πρώτες μεθόδους, έχει ολοκληρωμένα πλεονεκτήματα όσον αφορά την απόδοση, το κόστος και τη δυνατότητα ελέγχου.

3. Σύνοψη σύγκρισης των τριών μεθόδων

Βασικό συμπέρασμα:Οι μέθοδοι εκκένωσης τόξου και αφαίρεσης λέιζερ είναι κατάλληλες για την προετοιμασία δειγμάτων υψηλής ποιότητας σε εργαστήρια. η μέθοδος CVD είναι η μόνη επιλογή για βιομηχανική παραγωγή μεγάλης-κλίμακας.

4. Προηγμένη τεχνολογία CVD: Από το εργαστήριο έως την κλίμακα δέκα-χιλιάδων-τόννων

Η ίδια η τεχνολογία CVD εξελίσσεται συνεχώς. Εκτός από την παραδοσιακή θερμική CVD, έχουν αναπτυχθεί προηγμένες τεχνικές όπως-ενισχυμένη CVD με πλάσμα (PECVD) και CVD πλάσματος μικροκυμάτων. Αυτά μπορούν να αναπτύξουν CNT σε ακόμη χαμηλότερες θερμοκρασίες και να παρέχουν πιο ακριβή έλεγχο στην ευθυγράμμιση και τον προσανατολισμό των σωλήνων.

Καινοτομίες στην εκβιομηχάνιση της καρδιαγγειακής νόσου από κινεζικές εταιρείες:

Η Shandong Tanfeng είναι μία από τις λίγες εγχώριες εταιρείες που έχει κατακτήσει τη βασική τεχνολογία για την παραγωγή νανοϋλικών άνθρακα μέσω της μεθόδου αέριας-φάσης. Χρησιμοποιώντας πλήρως αυτοματοποιημένο έλεγχο, η απόδοση του προϊόντος έχει αυξηθεί σε πάνω από 99%. Η παραγωγική ικανότητα έχει πλέον επεκταθεί στους 2.000 τόνους ετησίως, καθιστώντας την μια από τις μεγαλύτερες βάσεις παραγωγής CNT στον κόσμο.

5. Πλεονεκτήματα των κατασκευαστών: Κάνοντας την τεχνολογία CVD από "Ικανότητα" σε "Εύκολο στη χρήση"

Ως κατασκευαστής CNT, επιλέξαμε τη διαδρομή της τεχνολογίας CVD και έχουμε κάνει αρκετά συγκεκριμένα πράγματα σε επίπεδο βιομηχανοποίησης:

Κατοχή της βασικής τεχνολογίας σχεδιασμού και προετοιμασίας καταλύτη.Στη μέθοδο CVD, ο καταλύτης είναι η "ψυχή"-καθορίζει άμεσα τη διάμετρο, τον αριθμό των τοιχωμάτων και την απόδοση των CNTs. Μέσω του ανεξάρτητου ανεπτυγμένου συστήματος καταλυτών μας, έχουμε επιτύχει ακριβή έλεγχο στη δομή του προϊόντος, με κατανομή στενής διαμέτρου και καλή συνοχή από παρτίδες-σε-παρτίδες.

Ξεπερνώντας το σημείο συμφόρησης της κλιμάκωσης-του αντιδραστήρα.Οι παραδοσιακοί αντιδραστήρες CVD έχουν χαμηλή παραγωγική ικανότητα μίας-μονάδας. Η κατασκευή ενός εργοστασίου δέκα-χιλιάδων- τόνων θα απαιτούσε δεκάδες μονάδες που λειτουργούν παράλληλα, με υψηλές επενδύσεις και δύσκολη διαχείριση. Έχουμε υιοθετήσει έναν-σχεδιασμό αντιδραστήρα μεγάλης- γενιάς τρίτης γενιάς, όπου η χωρητικότητα μιας μεμονωμένης μονάδας είναι πολλές φορές μεγαλύτερη από αυτή του παραδοσιακού εξοπλισμού, μειώνοντας σημαντικά την κατανάλωση ενέργειας και το κόστος εργασίας.

Επί του παρόντος, τα προϊόντα μας CNT χρησιμοποιούνται ευρέως σε αγώγιμα πρόσθετα μπαταριών λιθίου για νέα ενεργειακά οχήματα, προηγμένα σύνθετα πολυμερή, ελαστομερή, αεροδιαστημική, σιδηροδρομικές μεταφορές, παραγωγή αιολικής ενέργειας και άλλους τομείς. Από τις πρώτες ύλες έως τους αντιδραστήρες, από τους καταλύτες μέχρι τον καθαρισμό και τη διασπορά, έχουμε κατακτήσει ολόκληρη την αλυσίδα τεχνολογίας για την παραγωγή CNT CNT, δεσμευόμαστε να φέρουμε αυτό το «σούπερ υλικό» σε χιλιάδες βιομηχανίες.