روش های آماده سازی نانولوله های کربنی چیست؟

1. نانولوله های کربنی چگونه رشد می کنند؟

نانولوله های کربنی از زمین استخراج نمی شوند. آنها در آزمایشگاه "کشیده" می شوند. اتم‌های کربن به روش‌های خاصی بازآرایی می‌شوند و به ساختارهای لوله‌ای توخالی تبدیل می‌شوند-فرایندی شبیه به چرخاندن یک ورق کاغذ گرافن در نی.

از زمان کشف آنها در سال 1991، دانشمندان روش های مختلفی را برای تهیه این "مواد فوق العاده" توسعه دادند. در میان آنها، روش تخلیه قوس الکتریکی، روش فرسایش لیزری، و روش رسوب بخار شیمیایی (CVD) سه رویکرد اصلی هستند. این مقاله در مورد ویژگی‌های هر روش{3}}نحوه عملکرد، مزایا و معایب مربوطه، و اینکه کدام یک برای تولید صنعتی مناسب‌تر است، بحث می‌کند.

2. توضیح مفصل از سه روش اصلی آماده سازی

2.1 روش تخلیه قوس: "سنتی ترین" روش

روش تخلیه قوس اولین روشی بود که برای کشف CNT ها مورد استفاده قرار گرفت و می توان آن را یک فناوری "کهنه کار" در نظر گرفت.

چگونه کار می کند؟
یک گاز بی اثر (معمولا هلیوم یا آرگون) به یک راکتور وارد می شود و از دو میله گرافیت به عنوان آند و کاتد استفاده می شود. هنگامی که جریان مستقیم اعمال می‌شود، گرافیت در آند در اثر دمای بالا تبخیر می‌شود و اتم‌های کربن دوباره مرتب می‌شوند و CNT‌ها را تشکیل می‌دهند و به صورت دوده روی سطح کاتد و دیواره‌های راکتور رسوب می‌کنند.

تفاوت در محصولات:

CNTهای چند دیواره-:می توان مستقیماً با استفاده از الکترودهای گرافیتی خالص سنتز کرد.

CNT های تک دیواری-:نیاز به افزودن کاتالیزورهای فلزی مانند آهن، کبالت یا نیکل به آند دارید.

مزایا:

بلورینگی محصول بالا و ساختار عالی{0}}نقایص کمی دیوار، درجه بالای گرافیتی شدن.

تکنولوژی نسبتا بالغ، تجهیزات ساده.

بهترین کیفیت محصول در بین سه روش

معایب:

مصرف انرژی بالا، نیاز به خلاء بالا و شرایط دمایی خاص.

عملکرد کم؛ توسعه اقتصادی دشوار است.

محصولات با مقادیر زیادی کربن آمورف، فولرن‌ها و سایر ناخالصی‌ها مخلوط می‌شوند که به مراحل خالص‌سازی نیاز دارند.

CNT های فلزی و نیمه هادی با هم مخلوط می شوند و نمی توان آنها را از هم جدا کرد.

نیاز به تعویض دوره ای الکترودها و اهداف دارد.

خلاصه:کیفیت خوب، اما عملکرد کم و ناخالصی بالا؛ برای تولید صنعتی در مقیاس بزرگ-مناسب نیست.

2.2 روش ابلیشن لیزری: بالاترین دقت، کمترین بازده

روش ابلیشن لیزری اولین بار توسط Guo و همکارانش در سال 1995 گزارش شد و می توان آن را "نسخه ارتقا یافته" روش تخلیه قوس در نظر گرفت.

چگونه کار می کند؟
در یک اتمسفر بی اثر با درجه حرارت بالا (800-1500 درجه)، یک پالس پرتو لیزر با انرژی بالا، یک هدف گرافیتی جامد را که در یک لوله کوارتز نصب شده است، بمباران می‌کند و آن را تبخیر می‌کند. اتم‌های کربن مجدداً به نانولوله‌های کربنی متصل می‌شوند، که سپس به صورت دوده{5}}کربنی در داخل دستگاه جمع‌آوری می‌شوند.

مزایا:

CNT های سنتز شده دارای کمال ساختاری بالایی هستند.

می تواند SWCNT ها را بدون ناخالصی های MWCNT تولید کند.

می تواند تولید کایرالیت های خاص را کنترل کند (به عنوان مثال، (10،10) CNT).

ناخالصی های کربن آمورف کمتری تولید می کند.

معایب:

تجهیزات پیچیده و گران قیمت؛ هزینه لیزر بالا

عملکرد بسیار پایین{0}}فقط مقادیر میلی گرم در هر آماده سازی.

مصرف انرژی بالا؛ به شرایط دما و فشار بالا نیاز دارد.

همچنین دارای مشکلات ناخالصی است که نیاز به تصفیه دارد.

عوامل موثر:ترکیب شیمیایی هدف، توان لیزر و طول موج، و فاصله بین بستر و هدف همگی بر عملکرد و کیفیت محصول تأثیر می‌گذارند.

خلاصه:بالاترین دقت و خلوص، اما بازده بسیار کم است. فقط برای تحقیقات مکانیکی در آزمایشگاه ها مناسب است.

2.3 رسوب بخار شیمیایی (CVD): "اسب کار" صنعتی سازی

روش CVD در حال حاضر انتخاب اصلی برای تولید صنعتی است و امیدوارکننده‌ترین روش برای دستیابی به تولید-در مقیاس بزرگ است.

چگونه کار می کند؟
هیدروکربن‌ها یا کربن‌های حاوی اکسیدهای{0} (مثلاً متان، استیلن، اتیلن) ​​به یک کوره لوله‌ای با دمای بالا حاوی کاتالیزورهای فلزی (آهن، کبالت، نیکل و غیره) وارد می‌شوند. گاز در سطح کاتالیزور تجزیه می شود و اتم های کربن مجدداً چینش می کنند و CNT ها را تشکیل می دهند.

انواع تجهیزات:راکتورهای افقی، راکتورهای بستر سیال، راکتورهای عمودی و غیره.

چرا CVD به جریان اصلی تبدیل شده است؟

دمای پایین تر:دمای واکنش (600-1000 درجه) بسیار کمتر از روش تخلیه قوس الکتریکی و لیزر (بالای 3000 درجه) است.

تولید مستمر:گاز به طور مداوم معرفی می شود، CNT ها به طور مداوم رشد می کنند و امکان کار مداوم را فراهم می کنند.

بازده بالا:ظرفیت تولید یک راکتور به مراتب بیشتر از دو روش دیگر است.

کنترل خوب:با تنظیم پارامترهایی مانند کاتالیزور، دما و سرعت جریان گاز، می توان قطر، طول و ساختار CNT ها را کنترل کرد.

معایب:

محصولات دارای نقص ساختاری بیشتری هستند. درجه گرافیتی شدن به اندازه روش تخلیه قوس نیست.

ممکن است ناخالصی های فلزی کاتالیزور را حفظ کند که نیاز به تصفیه دارد.

انتخاب کاتالیزور بسیار مهم است{0}}کاتالیزور مستقیماً کیفیت و بازده محصول را تعیین می‌کند.

خلاصه:روش CVD انتخاب بهینه برای صنعتی‌سازی است-اگرچه خلوص آن کمی کمتر از دو روش اول است، اما دارای مزایای جامعی در بازده، هزینه و قابلیت کنترل است.

3. خلاصه مقایسه سه روش

نتیجه گیری اصلی:روش‌های تخلیه قوس و لیزر برای تهیه نمونه‌های با کیفیت بالا در آزمایشگاه‌ها مناسب هستند. روش CVD تنها انتخاب برای تولید صنعتی در مقیاس بزرگ-است.

4. فناوری پیشرفته CVD: از آزمایشگاه تا مقیاس ده-هزار-تن

خود فناوری CVD به طور مداوم در حال پیشرفت است. علاوه بر CVD حرارتی سنتی، تکنیک‌های پیشرفته‌ای مانند CVD افزایش‌یافته پلاسما (PECVD) و CVD پلاسما مایکروویو توسعه یافته‌اند. اینها می توانند CNT ها را در دماهای پایین تر رشد دهند و کنترل دقیق تری بر روی هم ترازی و جهت گیری لوله ارائه دهند.

پیشرفت در صنعتی سازی CVD توسط شرکت های چینی:

شاندونگ تانفنگ یکی از معدود شرکت‌های داخلی است که بر فناوری اصلی تولید نانومواد کربنی از طریق روش فاز-گاز تسلط یافته است. با استفاده از کنترل کاملاً خودکار، بازده محصول به بیش از 99٪ افزایش یافته است. ظرفیت تولید اکنون به 2000 تن در سال افزایش یافته است و آن را به یکی از بزرگترین پایگاه های تولید CNT در جهان تبدیل کرده است.

5. مزایای تولیدکنندگان: ساخت فناوری CVD از "قابلیت" به "استفاده آسان"

به عنوان یک تولید کننده CNT، ما مسیر فناوری CVD را انتخاب کرده ایم و چندین کار مشخص در سطح صنعتی انجام داده ایم:

تسلط بر فناوری اصلی طراحی و آماده سازی کاتالیست.در روش CVD، کاتالیزور «روح» است-که مستقیماً قطر، تعداد دیواره‌ها و بازده نانولوله‌های کربنی را تعیین می‌کند. از طریق سیستم کاتالیست توسعه یافته مستقل خود، به کنترل دقیقی بر ساختار محصول، با توزیع قطر باریک و سازگاری دسته ای-به-خوب دست یافته ایم.

شکستن گلوگاه بزرگ شدن راکتور-.راکتورهای CVD سنتی ظرفیت تولید تک واحدی پایینی دارند. ساخت یک کارخانه ده{2}}هزار-تنی به ده‌ها واحد نیاز دارد که به طور موازی کار کنند که شامل سرمایه‌گذاری بالا و مدیریت دشوار است. ما طراحی راکتوری در مقیاس بزرگ-نسل سوم-را اتخاذ کرده‌ایم، که در آن ظرفیت یک واحد چندین برابر تجهیزات سنتی است که مصرف انرژی و هزینه‌های نیروی کار را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد.

در حال حاضر، محصولات CNT ما به طور گسترده در افزودنی های رسانای باتری لیتیوم برای وسایل نقلیه انرژی جدید، کامپوزیت های پلیمری پیشرفته، الاستومرها، هوافضا، حمل و نقل ریلی، تولید برق بادی و سایر زمینه ها استفاده می شود. از مواد خام گرفته تا راکتورها، از کاتالیزورها تا تصفیه و پراکندگی، ما بر کل زنجیره فناوری برای تولید CNTs CNT تسلط یافته ایم و متعهد به آوردن این "مواد فوق العاده" به هزاران صنعت هستیم.