Vilka är beredningsmetoderna för kolnanorör?

1. Hur "odlas" kolnanorör?

Kolnanorör bryts inte från marken; de "odlas" i laboratorier. Kolatomer omarrangeras på specifika sätt och kryper ihop sig till ihåliga rörformade strukturer-en process som liknar att rulla ett ark grafenpapper till ett sugrör.

Sedan upptäckten 1991 har forskare utvecklat olika metoder för att förbereda detta "supermaterial". Bland dem är ljusbågsurladdningsmetoden, laserablationsmetoden och metoden för kemisk ångavsättning (CVD) de tre vanligaste tillvägagångssätten. Den här artikeln diskuterar detaljerna för varje metod-hur de fungerar, deras respektive fördelar och nackdelar, och vilken som är mer lämpad för industriell produktion.

2. Detaljerad förklaring av de tre vanliga beredningsmetoderna

2.1 Bågsurladdningsmetod: Den "mest traditionella" metoden

Bågutladdningsmetoden var den första metoden som användes för att upptäcka CNT och kan betraktas som en "veteran"-teknik.

Hur fungerar det?
En inert gas (vanligtvis helium eller argon) införs i en reaktor och två grafitstavar används som anod och katod. När likström appliceras, förångas grafiten vid anoden av den höga temperaturen, och kolatomer arrangeras om för att bilda CNT, som avsätts som "sot" på katodytan och reaktorväggarna.

Skillnader i produkter:

Fler-väggiga CNT:er:Kan syntetiseras direkt med rena grafitelektroder.

Enkel-väggiga CNT:er:Kräv tillsats av metallkatalysatorer såsom järn, kobolt eller nickel till anoden.

Fördelar:

Hög produktkristallinitet och perfekt struktur-få väggdefekter, hög grad av grafitisering.

Relativt mogen teknik, enkel utrustning.

Bästa produktkvaliteten av de tre metoderna.

Nackdelar:

Hög energiförbrukning, kräver högt vakuum och specifika temperaturförhållanden.

Lågt utbyte; svårt att skala upp ekonomiskt.

Produkter blandas med stora mängder amorft kol, fullerener och andra föroreningar, vilket kräver reningssteg.

Metalliska och halvledande CNT blandas ihop och kan inte separeras.

Kräver periodiskt utbyte av elektroder och mål.

Sammanfattning:Bra kvalitet, men lågt utbyte och höga föroreningar; inte lämplig för industriell stor-produktion.

2.2 Laserablationsmetod: Högsta precision, lägsta utbyte

Laserablationsmetoden rapporterades första gången av Guo och kollegor 1995 och kan betraktas som en "uppgraderad version" av bågarladdningsmetoden.

Hur fungerar det?
I en hög-temperatur (800–1500 grader) inert atmosfär bombarderar en hög-laserstrålepuls ett fast grafitmål monterat i ett kvartsrör och förångar det. Kolatomer sätts samman till CNT, som sedan samlas upp som kol-baserat sot inuti apparaten.

Fördelar:

Syntetiserade CNT:er har hög strukturell perfektion.

Kan producera SWCNTs utan MWCNT-föroreningar.

Kan kontrollera produktionen av specifika chiraliteter (t.ex. (10,10) CNT).

Producerar färre amorfa kolföroreningar.

Nackdelar:

Komplex och dyr utrustning; hög laserkostnad.

Extremt lågt utbyte-endast milligramkvantiteter per beredning.

Hög energiförbrukning; kräver höga temperatur- och tryckförhållanden.

Har också problem med föroreningar som kräver rening.

Påverkande faktorer:Målets kemiska sammansättning, lasereffekt och våglängd samt avståndet mellan substratet och målet påverkar alla produktutbyte och kvalitet.

Sammanfattning:Högsta precision och renhet, men utbytet är ynkligt lågt; endast lämplig för mekanistisk forskning i laboratorier.

2.3 Kemisk ångavsättning (CVD): Industrialiseringens "arbetshäst".

CVD-metoden är för närvarande det vanliga valet för industriell produktion och är den mest lovande metoden för att uppnå stor-produktion.

Hur fungerar det?
Kolväten eller kol-innehållande oxider (t.ex. metan, acetylen, eten) införs i en hög-temperaturrörsugn som innehåller metallkatalysatorer (järn, kobolt, nickel, etc.). Gasen sönderdelas på katalysatorytan och kolatomer omarrangeras för att bilda CNT.

Utrustningstyper:Horisontella reaktorer, reaktorer med fluidiserad bädd, vertikala reaktorer, etc.

Varför har CVD blivit mainstream?

Lägre temperatur:Reaktionstemperaturen (600–1000 grader) är mycket lägre än den för ljusbågsurladdning och lasermetoder (över 3000 grader).

Kontinuerlig produktion:Gas introduceras kontinuerligt, CNT växer kontinuerligt, vilket möjliggör kontinuerlig drift.

Hög avkastning:Produktionskapaciteten för en enskild reaktor överstiger vida de två andra metodernas.

Bra styrbarhet:Genom att justera parametrar som katalysator, temperatur och gasflöde kan diametern, längden och strukturen hos CNT kontrolleras.

Nackdelar:

Produkter har fler strukturella defekter; graden av grafitisering är inte lika hög som med ljusbågsurladdningsmetoden.

Kan hålla kvar katalysatormetallföroreningar, vilket kräver reningsbehandling.

Katalysatorvalet är avgörande-katalysatorn avgör direkt produktkvalitet och avkastning.

Sammanfattning:CVD-metoden är det optimala valet för industrialisering-även om renheten är något sämre än de två första metoderna, har den omfattande fördelar vad gäller avkastning, kostnad och kontrollerbarhet.

3. Jämförelse Sammanfattning av de tre metoderna

Kärnslutsats:Metoderna för ljusbågsurladdning och laserablation är lämpliga för att förbereda hög-kvalitetsprover i laboratorier; CVD-metoden är det enda valet för industriell stor-produktion.

4. Avancerad CVD-teknik: från laboratorium till tio-tusen-tonsskala

Själva CVD-tekniken utvecklas kontinuerligt. Utöver traditionell termisk CVD har avancerade tekniker som plasma-förstärkt CVD (PECVD) och mikrovågsplasma CVD utvecklats. Dessa kan odla CNTs vid ännu lägre temperaturer och ge mer exakt kontroll över rörets inriktning och orientering.

Genombrott i CVD industrialisering av kinesiska företag:

Shandong Tanfeng är ett av få inhemska företag som har bemästrat kärntekniken för att producera kolnanomaterial via gas-fasmetoden. Genom att använda helautomatisk styrning har produktutbytet ökat till över 99 %. Produktionskapaciteten har nu utökats till 2 000 ton per år, vilket gör den till en av de största CNT-produktionsbaserna i världen.

5. Fördelar med tillverkare: Att göra CVD-teknik från "kapabel" till "lätt att använda"

Som CNT-tillverkare har vi valt CVD-teknikvägen och har gjort flera konkreta saker på industrialiseringsnivån:

Bemästra kärntekniken för katalysatordesign och beredning.I CVD-metoden är katalysatorn "själen"-den bestämmer direkt diametern, antalet väggar och utbytet av CNT. Genom vårt oberoende utvecklade katalysatorsystem har vi uppnått exakt kontroll över produktstrukturen, med en snäv diameterfördelning och god konsistens från batch-till-batch.

Att bryta igenom flaskhalsen med reaktoruppskalning-.Traditionella CVD-reaktorer har låg produktionskapacitet för en enda-enhet. Att bygga en fabrik på tio-tusen-ton skulle kräva dussintals enheter som arbetar parallellt, vilket innebär höga investeringar och svår förvaltning. Vi har antagit en tredje-generations storskalig-reaktorkonstruktion, där kapaciteten för en enda enhet är flera gånger högre än traditionell utrustning, vilket avsevärt minskar energiförbrukningen och arbetskostnaderna.

För närvarande används våra CNT-produkter i stor utsträckning i litiumbatteriledande tillsatser för nya energifordon, avancerade polymerkompositer, elastomerer, rymd, järnvägstransport, vindkraftsproduktion och andra områden. Från råmaterial till reaktorer, från katalysatorer till rening och dispersion, vi har bemästrat hela kedjan av teknologi för CVD-produktion av CNTs, åtagit sig att föra detta "supermaterial" till tusentals industrier.