Hvad er fremstillingsmetoderne til kulstofnanorør?

1. Hvordan "dyrkes" kulstofnanorør?

Kulstof nanorør udvindes ikke fra jorden; de "dyrkes" i laboratorier. Kulstofatomer omarrangeres på bestemte måder og krøller sig sammen til hule rørformede strukturer-en proces, der ligner at rulle et ark grafenpapir til et sugerør.

Siden deres opdagelse i 1991 har videnskabsmænd udviklet forskellige metoder til at forberede dette "supermateriale". Blandt dem er lysbueudladningsmetoden, laserablationsmetoden og kemisk dampaflejringsmetode (CVD) de tre mest almindelige tilgange. Denne artikel diskuterer de specifikke forhold ved hver metode,-hvordan de fungerer, deres respektive fordele og ulemper, og hvilken der er mest egnet til industriel produktion.

2. Detaljeret forklaring af de tre almindelige forberedelsesmetoder

2.1 Bueafladningsmetode: Den "mest traditionelle" metode

Bueudladningsmetoden var den første metode, der blev brugt til at opdage CNT'er og kan betragtes som en "veteran"-teknologi.

Hvordan virker det?
En inert gas (typisk helium eller argon) indføres i en reaktor, og to grafitstave bruges som anode og katode. Når der påføres jævnstrøm, fordampes grafitten ved anoden af ​​den høje temperatur, og carbonatomer omarrangeres for at danne CNT'er, der aflejres som "sod" på katodeoverfladen og reaktorvæggene.

Forskelle i produkter:

Multi-væggede CNT'er:Kan syntetiseres direkte ved hjælp af rene grafitelektroder.

Enkelt-væggede CNT'er:Kræv tilsætning af metalkatalysatorer såsom jern, kobolt eller nikkel til anoden.

Fordele:

Høj produktkrystallinitet og perfekt struktur-få vægfejl, høj grad af grafitisering.

Relativt moden teknologi, enkelt udstyr.

Bedste produktkvalitet blandt de tre metoder.

Ulemper:

Højt energiforbrug, der kræver højt vakuum og specifikke temperaturforhold.

Lavt udbytte; svært at opskalere økonomisk.

Produkter er blandet med store mængder af amorft kulstof, fullerener og andre urenheder, hvilket kræver rensningstrin.

Metalliske og halvledende CNT'er er blandet sammen og kan ikke adskilles.

Kræver periodisk udskiftning af elektroder og mål.

Oversigt:God kvalitet, men lavt udbytte og høje urenheder; ikke egnet til industriel stor-produktion.

2.2 Laserablationsmetode: Højeste præcision, laveste udbytte

Laserablationsmetoden blev første gang rapporteret af Guo og kolleger i 1995 og kan betragtes som en "opgraderet version" af bueudladningsmetoden.

Hvordan virker det?
I en høj-temperatur (800-1500 grader) inert atmosfære bombarderer en høj-laserstrålepuls et massivt grafitmål monteret i et kvartsrør og fordamper det. Kulstofatomer samles igen til CNT'er, som derefter opsamles som kulstof-baseret sod inde i apparatet.

Fordele:

Syntetiserede CNT'er har høj strukturel perfektion.

Kan producere SWCNT'er uden MWCNT-urenheder.

Kan kontrollere produktionen af ​​specifikke chiraliteter (f.eks. (10,10) CNT'er).

Producerer færre amorfe kulstofurenheder.

Ulemper:

Kompleks og dyrt udstyr; høje laseromkostninger.

Ekstremt lavt udbytte-kun milligrammængder pr. præparat.

Højt energiforbrug; kræver høje temperatur- og trykforhold.

Har også urenhedsproblemer, der kræver 后续 rensning.

Påvirkningsfaktorer:Den kemiske sammensætning af målet, laserstyrke og bølgelængde og afstanden mellem substratet og målet påvirker alle produktudbytte og kvalitet.

Oversigt:Højeste præcision og renhed, men udbyttet er ynkeligt lavt; kun egnet til mekanistisk forskning i laboratorier.

2.3 Kemisk dampaflejring (CVD): Industrialiseringens "arbejdshest".

CVD-metoden er i øjeblikket det almindelige valg til industriel produktion og er den mest lovende metode til at opnå stor-skalaproduktion.

Hvordan virker det?
Kulbrinter eller kulstof-holdige oxider (f.eks. methan, acetylen, ethylen) indføres i en rørovn med høj-temperatur indeholdende metalkatalysatorer (jern, kobolt, nikkel osv.). Gassen nedbrydes på katalysatoroverfladen, og carbonatomer omarrangeres for at danne CNT'er.

Udstyrstyper:Horisontale reaktorer, fluid bed-reaktorer, vertikale reaktorer mv.

Hvorfor er CVD blevet mainstream?

Lavere temperatur:Reaktionstemperaturen (600-1000 grader) er meget lavere end den for lysbueudladning og lasermetoder (over 3000 grader).

Kontinuerlig produktion:Gas introduceres kontinuerligt, CNT'er vokser kontinuerligt, hvilket muliggør kontinuerlig drift.

Højt udbytte:Produktionskapaciteten for en enkelt reaktor overstiger langt de to andre metoders.

God styrbarhed:Ved at justere parametre som katalysator, temperatur og gasstrømningshastighed kan diameteren, længden og strukturen af ​​CNT'er kontrolleres.

Ulemper:

Produkter har flere strukturelle defekter; graden af ​​grafitisering er ikke så høj som ved bueudladningsmetoden.

Kan tilbageholde katalysatormetalurenheder, hvilket kræver rensningsbehandling.

Katalysatorvalg er afgørende-katalysatoren bestemmer direkte produktkvalitet og udbytte.

Oversigt:CVD-metoden er det optimale valg til industrialisering-selv om renheden er lidt ringere end de to første metoder, har den omfattende fordele med hensyn til udbytte, omkostninger og kontrollerbarhed.

3. Sammenligning Sammenfatning af de tre metoder

Kernekonklusion:Metoderne til lysbueudladning og laserablation er velegnede til at forberede prøver af høj-kvalitet i laboratorier; CVD-metoden er det eneste valg til industriel stor-produktion.

4. Avanceret CVD-teknologi: Fra laboratorium til ti-tusinde-tonsskala

Selve CVD-teknologien udvikler sig løbende. Ud over traditionel termisk CVD er der udviklet avancerede teknikker såsom plasma-enhanced CVD (PECVD) og mikrobølgeplasma CVD. Disse kan dyrke CNT'er ved endnu lavere temperaturer og give mere præcis kontrol over rørjustering og orientering.

Gennembrud i CVD industrialisering af kinesiske virksomheder:

Shandong Tanfeng er en af ​​de få indenlandske virksomheder, der har mestret kerneteknologien til fremstilling af kulstof-nanomaterialer via gasfasemetoden-. Ved at bruge fuldautomatisk kontrol er produktudbyttet blevet øget til over 99 %. Produktionskapaciteten er nu blevet udvidet til 2.000 tons om året, hvilket gør den til en af ​​de største CNT-produktionsbaser i verden.

5. Fordele ved producenter: Gør CVD-teknologi fra "Kapelig" til "Nem at bruge"

Som CNT-producent har vi valgt CVD-teknologien og har gjort flere konkrete ting på industrialiseringsniveauet:

Beherskelse af kerneteknologien til katalysatordesign og forberedelse.I CVD-metoden er katalysatoren "sjælen"-den bestemmer direkte diameteren, antallet af vægge og udbyttet af CNT'er. Gennem vores uafhængigt udviklede katalysatorsystem har vi opnået præcis kontrol over produktstrukturen med en snæver diameterfordeling og god batch-til-batch-konsistens.

At bryde gennem flaskehalsen ved reaktoropskalering-.Traditionelle CVD-reaktorer har lav enkelt-enhedsproduktionskapacitet. At bygge et ti-tusinde-tons anlæg ville kræve snesevis af enheder, der opererer parallelt, hvilket involverer høje investeringer og vanskelig styring. Vi har vedtaget et tredje-generations stor-reaktordesign, hvor kapaciteten af ​​en enkelt enhed er flere gange større end traditionelt udstyr, hvilket reducerer energiforbruget og arbejdsomkostningerne markant.

I øjeblikket bruges vores CNT-produkter i vid udstrækning i lithiumbatteriledende additiver til nye energikøretøjer, avancerede polymerkompositter, elastomerer, rumfart, jernbanetransport, vindkraftproduktion og andre områder. Fra råmaterialer til reaktorer, fra katalysatorer til rensning og dispersion, vi har mestret hele kæden af ​​teknologi til CVD-produktion af CNT'er, forpligtet til at bringe dette "supermateriale" ind i tusindvis af industrier.