Які існують методи отримання вуглецевих нанотрубок?

1. Як «вирощують» вуглецеві нанотрубки?

Вуглецеві нанотрубки не видобувають із землі; їх «вирощують» у лабораторіях. Атоми вуглецю перегруповуються певним чином, згортаючись у порожнисті трубчасті структури-. Цей процес подібний до скручування аркуша графенового паперу в соломинку.

З моменту їх відкриття в 1991 році вчені розробили різні методи отримання цього «суперматеріалу». Серед них метод дугового розряду, метод лазерної абляції та метод хімічного осадження з парової фази (CVD) є трьома найбільш поширеними підходами. У цій статті обговорюється специфіка кожного методу-як вони працюють, їхні відповідні переваги та недоліки та який з них більше підходить для промислового виробництва.

2. Детальне пояснення трьох основних методів підготовки

2.1 Метод дугового розряду: «Найбільш традиційний» метод

Метод дугового розряду був першим методом, використаним для виявлення ВНТ, і його можна вважати «старою» технологією.

як це працює
Інертний газ (як правило, гелій або аргон) вводиться в реактор, а два графітових стрижня використовуються як анод і катод. Коли подається постійний струм, графіт на аноді випаровується під дією високої температури, і атоми вуглецю перегруповуються, утворюючи ВНТ, осідаючи у вигляді «сажі» на поверхні катода та стінках реактора.

Відмінності в продуктах:

Багатостінні CNT-:Можна синтезувати безпосередньо за допомогою чистих графітових електродів.

Одностінні ВНТ-:Потрібне додавання до анода металевих каталізаторів, таких як залізо, кобальт або нікель.

Переваги:

Висока кристалічність продукту та ідеальна структура-невелика кількість дефектів стінок, високий ступінь графітизації.

Відносно відпрацьована технологія, просте обладнання.

Найкраща якість продукції серед трьох методів.

Недоліки:

Високе енергоспоживання, що вимагає високого вакууму та специфічних температурних умов.

Низька врожайність; важко розширити економічно.

Продукти змішані з великою кількістю аморфного вуглецю, фулеренів та інших домішок, що вимагає етапів очищення繁琐.

Металеві та напівпровідникові ВНТ змішані разом і не можуть бути розділені.

Вимагає періодичної заміни електродів і мішеней.

Резюме:Хороша якість, але низький вихід і високий вміст домішок; не підходить для промислового великомасштабного-виробництва.

2.2 Метод лазерної абляції: найвища точність, найменший вихід

Про метод лазерної абляції вперше повідомили Го та його колеги в 1995 році, і його можна вважати «оновленою версією» методу дугового розряду.

як це працює
У високій -температурі (800–1500 градусів) інертній атмосфері високо-імпульс лазерного променя бомбардує тверду графітову мішень, встановлену в кварцовій трубці, випаровуючи її. Атоми вуглецю знову збираються в ВНТ, які потім збираються у вигляді вуглецевої-сажі всередині пристрою.

Переваги:

Синтезовані ВНТ мають високу структурну досконалість.

Може виробляти SWCNT без домішок MWCNT.

Може контролювати виробництво специфічних хіральних елементів (наприклад, (10,10) ВНТ).

Утворює менше домішок аморфного вуглецю.

Недоліки:

складне і дороге обладнання; висока вартість лазера.

Надзвичайно низький врожай-лише міліграм на один препарат.

Високе енергоспоживання; вимагає високих температур і тиску.

Також є проблеми з домішками, які потребують очищення 后续.

Фактори впливу:Хімічний склад мішені, потужність і довжина хвилі лазера, а також відстань між підкладкою та мішенню впливають на вихід і якість продукту.

Резюме:Найвища точність і чистота, але вихід жалюгідно низький; підходить тільки для механічних досліджень у лабораторіях.

2.3 Хімічне осадження з парової фази (CVD): «Робоча конячка» індустріалізації

Метод CVD наразі є основним вибором для промислового виробництва та є найбільш перспективним методом для досягнення великого -виробництва.

як це працює
Вуглеводні або вуглець{0}}вмісні оксиди (наприклад, метан, ацетилен, етилен) вводять у високотемпературну-трубчасту піч, що містить металеві каталізатори (залізо, кобальт, нікель тощо). Газ розкладається на поверхні каталізатора, і атоми вуглецю перегруповуються з утворенням ВНТ.

Типи обладнання:Горизонтальні реактори, реактори з киплячим шаром, вертикальні реактори тощо.

Чому ССЗ стали мейнстрімом?

Нижня температура:Температура реакції (600–1000 градусів) значно нижча, ніж у дугового розряду та лазерних методів (вище 3000 градусів).

Безперервне виробництво:Газ безперервно вводиться, ВНТ постійно зростають, що дозволяє безперервно працювати.

Висока врожайність:Виробнича потужність одного реактора значно перевищує продуктивність двох інших методів.

Хороша керованість:Регулюючи такі параметри, як каталізатор, температура та швидкість потоку газу, можна контролювати діаметр, довжину та структуру ВНТ.

Недоліки:

Вироби мають більше структурних дефектів; ступінь графітизації не такий високий, як при методі дугового розряду.

Може утримувати металеві домішки каталізатора, що потребує очищення.

Вибір каталізатора має вирішальне значення-каталізатор безпосередньо визначає якість продукту та врожайність.

Резюме:Метод CVD є оптимальним вибором для індустріалізації-хоча чистота дещо поступається першим двом методам, він має вичерпні переваги в продуктивності, вартості та керованості.

3. Резюме порівняння трьох методів

Основний висновок:Методи дугового розряду та лазерної абляції підходять для підготовки високоякісних-проб у лабораторіях; метод CVD є єдиним вибором для промислового великомасштабного-виробництва.

4. Передова технологія CVD: від лабораторії до масштабу десяти-тисяч-тонн

Сама технологія CVD постійно розвивається. На додаток до традиційного термічного CVD, були розроблені передові методи, такі як плазмо-посилена CVD (PECVD) і мікрохвильова плазма CVD. Вони можуть вирощувати ВНТ при ще нижчих температурах і забезпечувати більш точний контроль над вирівнюванням і орієнтацією трубок.

Прориви в індустріалізації ССЗ китайськими компаніями:

Shandong Tanfeng — одна з небагатьох вітчизняних компаній, яка освоїла основну технологію виробництва вуглецевих наноматеріалів газо{0}}фазним методом. Використовуючи повністю автоматизований контроль, вихід продукту було збільшено до понад 99%. Виробничу потужність тепер збільшено до 2000 тонн на рік, що робить її однією з найбільших баз виробництва CNT у світі.

5. Переваги виробників: перетворення технології CVD із «можливої» на «просту у використанні»

Як виробник CNT, ми обрали шлях технології CVD і зробили кілька конкретних речей на рівні індустріалізації:

Освоєння основної технології розробки та приготування каталізатора.У методі CVD каталізатором є «душа»-він безпосередньо визначає діаметр, кількість стінок і вихід ВНТ. Завдяки нашій незалежно розробленій каталітичній системі ми досягли точного контролю над структурою продукту з вузьким розподілом діаметра та хорошою консистенцією від-до-серії.

Проламати вузьке місце масштабування-реактора.Традиційні CVD-реактори мають низьку-виробничу потужність окремої установки. Щоб побудувати завод потужністю десять-тисяч-тонн, знадобляться десятки паралельно працюючих одиниць, що вимагає великих інвестицій і складного управління. Ми запровадили конструкцію широкомасштабного-реактора третього{5}}покоління, де потужність окремого блоку в кілька разів перевищує потужність традиційного обладнання, що значно зменшує споживання енергії та витрати на робочу силу.

В даний час наша продукція CNT широко використовується в провідних добавках для літієвих акумуляторів для нових транспортних засобів, передових полімерних композитів, еластомерів, аерокосмічної галузі, залізничного транспорту, виробництва енергії вітру та інших галузей. Від сировини до реакторів, від каталізаторів до очищення та диспергування, ми освоїли весь ланцюжок технологій для CVD виробництва ВНТ, прагнучи запровадити цей «суперматеріал» у тисячі галузей.