Millised on süsiniknanotorude ettevalmistamise meetodid?

1. Kuidas süsiniknanotorusid "kasvatatakse"?

Süsiniknanotorusid ei kaevandata maapinnast; neid "kasvatatakse" laborites. Süsinikuaatomid asetsevad ümber teatud viisil, kõverdudes õõnsateks torukujulisteks struktuurideks-, mis sarnaneb grafeenpaberi lehe kõrreks rullimisega.

Alates nende avastamisest 1991. aastal on teadlased selle "supermaterjali" valmistamiseks välja töötanud erinevaid meetodeid. Nende hulgas on kaarlahendusmeetod, laserablatsiooni meetod ja keemilise aurustamise-sadestamise (CVD) meetodid kolm kõige levinumat lähenemisviisi. Selles artiklis käsitletakse iga meetodi eripära,{3}}kuidas need toimivad, nende eeliseid ja puudusi ning seda, milline meetod sobib paremini tööstuslikuks tootmiseks.

2. Kolme peamise ettevalmistusmeetodi üksikasjalik selgitus

2.1 Kaarlahendusmeetod: "kõige traditsioonilisem" meetod

Kaarlahendusmeetod oli esimene meetod, mida kasutati CNT-de avastamiseks ja seda võib pidada "veteranide" tehnoloogiaks.

Kuidas see toimib?
Reaktorisse juhitakse inertgaas (tavaliselt heelium või argoon) ning anoodina ja katoodina kasutatakse kahte grafiitvarda. Kui rakendatakse alalisvoolu, aurustub kõrgel temperatuuril anoodil olev grafiit ja süsinikuaatomid paiknevad ümber, moodustades CNT-sid, sadestades "tahmana" katoodi pinnale ja reaktori seintele.

Erinevused toodetes:

Mitme-seinaga CNT-d:Saab sünteesida otse puhta grafiitelektroodiga.

Üheseinalised{0}}CNT-d:Nõuda anoodile metallkatalüsaatorite, nagu raud, koobalt või nikkel, lisamist.

Eelised:

Toote kõrge kristallilisus ja täiuslik struktuur{0}}vähe seinadefekte, kõrge grafitiseerumisaste.

Suhteliselt küps tehnoloogia, lihtne varustus.

Parim tootekvaliteet kolme meetodi seas.

Puudused:

Suur energiatarve, mis nõuab kõrget vaakumit ja spetsiifilisi temperatuuritingimusi.

Madal saagikus; majanduslikult raske suurendada.

Tooted on segatud suures koguses amorfse süsiniku, fullereenide ja muude lisanditega, mis nõuavad puhastamisetappe.

Metall- ja pooljuht-CNT-d segatakse omavahel ja neid ei saa eraldada.

Nõuab elektroodide ja sihtmärkide perioodilist väljavahetamist.

Kokkuvõte:Hea kvaliteet, kuid madal saagis ja palju lisandeid; ei sobi tööstuslikuks suuremahuliseks{0}}tootmiseks.

2.2 Laserablatsiooni meetod: kõrgeim täpsus, madalaim saagis

Guo ja tema kolleegid teatasid laserablatsiooni meetodist esmakordselt 1995. aastal ja seda võib pidada kaarlahendusmeetodi "täiustatud versiooniks".

Kuidas see toimib?
Kõrge{0}}temperatuurilises (800–1500 kraadi) inertses atmosfääris pommitab suure-energiaga laserkiire impulss kvartstorusse paigaldatud tahket grafiidist sihtmärki, aurustades selle. Süsinikuaatomid koonduvad uuesti CNT-deks, mis seejärel kogutakse seadmesse süsinik{5}}põhise tahmana.

Eelised:

Sünteesitud CNT-del on kõrge struktuurne täiuslikkus.

Võib toota SWCNT-sid ilma MWCNT lisanditeta.

Suudab kontrollida spetsiifiliste kiraalsuste (nt (10,10) CNT) tootmist.

Toodab vähem amorfset süsiniku lisandeid.

Puudused:

Keerulised ja kallid seadmed; kõrge laseri hind.

Äärmiselt väike saagis{0}}ainult milligrammikogused preparaadi kohta.

Suur energiatarbimine; nõuab kõrge temperatuuri ja rõhu tingimusi.

Samuti on probleeme lisanditega, mis nõuavad puhastamist.

Mõjutavad tegurid:Sihtmärgi keemiline koostis, laseri võimsus ja lainepikkus ning substraadi ja sihtmärgi vaheline kaugus mõjutavad kõik toote saagist ja kvaliteeti.

Kokkuvõte:Suurim täpsus ja puhtus, kuid saagis on haletsusväärne; sobib ainult mehhaanilisteks uuringuteks laborites.

2.3 Keemiline aurustamine-sadestamine (CVD): industrialiseerimise "tööhobune".

CVD-meetod on praegu tööstusliku tootmise peamine valik ja see on kõige paljutõotavam meetod suuremahulise tootmise saavutamiseks-.

Kuidas see toimib?
Süsivesinikud või süsinik{0}}sisaldavad oksiidid (nt metaan, atsetüleen, etüleen) juhitakse metallkatalüsaatoreid (raud, koobalt, nikkel jne) sisaldavasse kõrgtemperatuursesse -toruahju. Gaas laguneb katalüsaatori pinnal ja süsinikuaatomid paiknevad ümber, moodustades CNT-sid.

Seadmete tüübid:Horisontaalsed reaktorid, keevkihtreaktorid, vertikaalsed reaktorid jne.

Miks on CVD muutunud peavooluks?

Madalam temperatuur:Reaktsioonitemperatuur (600–1000 kraadi) on palju madalam kui kaarlahendus- ja lasermeetodil (üle 3000 kraadi).

Pidev tootmine:Gaasi sisestatakse pidevalt, CNT-d kasvavad pidevalt, võimaldades pidevat tööd.

Kõrge saagikus:Ühe reaktori tootmisvõimsus ületab tunduvalt kahe ülejäänud meetodi tootmisvõimsust.

Hea juhitavus:Reguleerides selliseid parameetreid nagu katalüsaator, temperatuur ja gaasi voolukiirus, saab kontrollida CNT-de läbimõõtu, pikkust ja struktuuri.

Puudused:

Toodetel on rohkem struktuurivigu; grafitiseerumisaste ei ole nii kõrge kui kaarlahendusmeetodi puhul.

Võib säilitada katalüsaatori metalli lisandeid, mis vajavad puhastamist.

Katalüsaatori valik on kriitiline{0}}katalüsaator määrab otseselt toote kvaliteedi ja saagise.

Kokkuvõte:CVD-meetod on industrialiseerimiseks optimaalne valik,{0}}kuigi puhtus on kahel esimesel meetodil pisut madalam, on sellel laialdased eelised saagikuse, kulude ja juhitavuse osas.

3. Kolme meetodi võrdluskokkuvõte

Põhijäreldus:Kaarlahendus- ja laserablatsioonimeetodid sobivad kvaliteetsete{0}}proovide ettevalmistamiseks laboris; CVD-meetod on tööstuslikuks suuremahuliseks tootmiseks-ainuke valik.

4. Täiustatud CVD-tehnoloogia: laborist kümne-tuhande-tonnini

CVD tehnoloogia ise areneb pidevalt. Lisaks traditsioonilisele termilisele CVD-le on välja töötatud täiustatud tehnikaid, nagu plasma-täiustatud CVD (PECVD) ja mikrolaineplasma CVD. Need võivad CNT-sid kasvatada veelgi madalamatel temperatuuridel ja pakkuda täpsemat kontrolli torude joondamise ja orientatsiooni üle.

Hiina ettevõtete läbimurded CVD industrialiseerimisel:

Shandong Tanfeng on üks väheseid kodumaiseid ettevõtteid, kes on omandanud põhitehnoloogia süsiniknanomaterjalide tootmiseks gaasifaasi meetodil{0}}. Täisautomaatse juhtimise abil on toote saagis kasvanud üle 99%. Tootmisvõimsust on nüüdseks suurendatud 2000 tonnini aastas, mis teeb sellest ühe maailma suurima CNT tootmisbaasi.

5. Tootjate eelised: CVD-tehnoloogia muutmine "võimelisest" lihtsaks kasutamiseks

CNT-tootjana oleme valinud CVD-tehnoloogia tee ja teinud industrialiseerimise tasandil mitmeid konkreetseid asju:

Katalüsaatori kavandamise ja ettevalmistamise põhitehnoloogia valdamine.CVD-meetodi puhul on katalüsaatoriks "hing"-see määrab otseselt CNT-de läbimõõdu, seinte arvu ja saagise. Meie iseseisvalt välja töötatud katalüsaatorisüsteemiga oleme saavutanud täpse kontrolli toote struktuuri üle, millel on kitsas läbimõõtude jaotus ja hea partiide -to{3}} konsistents.

Reaktorite suurendamise-pudelikaela läbimurdmine.Traditsioonilistel CVD-reaktoritel on väike{0}}üksuse tootmisvõimsus. Kümne{2}}tuhande-tonnise tehase ehitamine nõuaks kümneid paralleelselt töötavaid üksusi, mis nõuavad suuri investeeringuid ja keerukat juhtimist. Oleme kasutusele võtnud kolmanda -põlvkonna-suure reaktori konstruktsiooni, kus ühe ploki võimsus ületab mitu korda traditsiooniliste seadmete võimsust, mis vähendab oluliselt energiatarbimist ja tööjõukulusid.

Praegu kasutatakse meie CNT-tooteid laialdaselt liitiumaku juhtivates lisandites uutes energiasõidukites, täiustatud polümeerkomposiitmaterjalides, elastomeerides, kosmosetööstuses, raudteetranspordis, tuuleenergia tootmises ja muudes valdkondades. Toormaterjalidest reaktoriteni, katalüsaatoritest puhastamise ja dispergeerimiseni oleme omandanud kogu CNT-de CVD-tootmise tehnoloogiaahela, olles pühendunud selle "supermaterjali" toomisele tuhandetesse tööstusharudesse.