1. Com es "creixen" els nanotubs de carboni?
Els nanotubs de carboni no s'extreuen del sòl; es "cultiven" als laboratoris. Els àtoms de carboni es reorganitzen de maneres específiques, enrotllant-se en estructures tubulars buides-un procés similar a enrotllar un full de paper de grafè en una palla.
Des del seu descobriment l'any 1991, els científics han desenvolupat diversos mètodes per preparar aquest "súper material". Entre ells, el mètode de descàrrega d'arc, el mètode d'ablació làser i el mètode de deposició de vapor químic (CVD) són els tres enfocaments més habituals. En aquest article s'expliquen les especificitats de cada mètode-com funcionen, els seus respectius avantatges i desavantatges i quin és més adequat per a la producció industrial.
2. Explicació detallada dels tres mètodes de preparació principals
2.1 Mètode de descàrrega d'arc: el mètode "més tradicional".
El mètode de descàrrega d'arc va ser el primer mètode utilitzat per descobrir CNT i es pot considerar una tecnologia "veterà".
Com funciona?
S'introdueix un gas inert (normalment heli o argó) en un reactor i s'utilitzen dues barres de grafit com a ànode i càtode. Quan s'aplica corrent continu, el grafit de l'ànode es vaporitza per l'alta temperatura i els àtoms de carboni es reorganitzen per formar CNT, dipositant-se com a "sutge" a la superfície del càtode i les parets del reactor.
Diferències en els productes:
CNTs-multiparets:Es pot sintetitzar mitjançant elèctrodes de grafit pur directament.
CNTs-de paret única:Cal afegir catalitzadors metàl·lics com ara ferro, cobalt o níquel a l'ànode.
Avantatges:
Alta cristalinitat del producte i estructura perfecta-pocs defectes de paret, alt grau de grafitització.
Tecnologia relativament madura, equips senzills.
La millor qualitat del producte entre els tres mètodes.
Inconvenients:
Alt consum energètic, que requereix un buit elevat i condicions de temperatura específiques.
Baix rendiment; difícil d'ampliar econòmicament.
Els productes es barregen amb grans quantitats de carboni amorf, fulerens i altres impureses, que requereixen passos de purificació.
Els CNT metàl·lics i semiconductors es barregen i no es poden separar.
Requereix la substitució periòdica d'elèctrodes i objectius.
Resum:Bona qualitat, però baix rendiment i altes impureses; no apte per a la producció industrial a gran-escala.
2.2 Mètode d'ablació per làser: màxima precisió, menor rendiment
El mètode d'ablació làser va ser informat per primera vegada per Guo i els seus col·legues el 1995 i es pot considerar una "versió millorada" del mètode de descàrrega d'arc.
Com funciona?
En una atmosfera inert d'-alta temperatura (800-1500 graus ), un pols de raig làser d'alta-energia bombardeja un objectiu sòlid de grafit muntat en un tub de quars i el vaporitza. Els àtoms de carboni es tornen a reunir en CNT, que després es recullen com a sutge basat en carboni-dins de l'aparell.
Avantatges:
Els CNT sintetitzats tenen una alta perfecció estructural.
Pot produir SWCNT sense impureses MWCNT.
Pot controlar la producció de quiralitats específiques (per exemple, (10,10) CNTs).
Produeix menys impureses de carboni amorf.
Inconvenients:
Equipament complex i car; alt cost làser.
Rendiment extremadament baix-només quantitats de mil·ligrams per preparació.
Alt consum d'energia; requereix condicions d'alta temperatura i pressió.
També té problemes d'impureses que requereixen purificació.
Factors que influeixen:La composició química de l'objectiu, la potència del làser i la longitud d'ona i la distància entre el substrat i l'objectiu afecten el rendiment i la qualitat del producte.
Resum:La màxima precisió i puresa, però el rendiment és lamentablement baix; només apte per a la investigació mecanicista en laboratoris.
2.3 Deposició de vapor químic (CVD): el "cavall de treball" de la industrialització
El mètode CVD és actualment l'opció principal per a la producció industrial i és el mètode més prometedor per aconseguir una producció a gran-escala.
Com funciona?
Els hidrocarburs o els òxids que contenen-carboni (per exemple, metà, acetilè, etilè) s'introdueixen en un forn de tubs d'-alta temperatura que conté catalitzadors metàl·lics (ferro, cobalt, níquel, etc.). El gas es descompon a la superfície del catalitzador i els àtoms de carboni es reorganitzen per formar CNT.
Tipus d'equips:Reactors horitzontals, reactors de llit fluiditzat, reactors verticals, etc.
Per què la CVD s'ha convertit en corrent?
Temperatura més baixa:La temperatura de reacció (600-1000 graus) és molt inferior a la dels mètodes de descàrrega d'arc i làser (per sobre de 3000 graus).
Producció contínua:El gas s'introdueix contínuament, els CNT creixen contínuament, permetent un funcionament continu.
Alt rendiment:La capacitat de producció d'un sol reactor supera amb escreix la dels altres dos mètodes.
Bona controlabilitat:Ajustant paràmetres com el catalitzador, la temperatura i el cabal de gas, es pot controlar el diàmetre, la longitud i l'estructura dels CNT.
Inconvenients:
Els productes tenen més defectes estructurals; el grau de grafitització no és tan alt com amb el mètode de descàrrega d'arc.
Pot retenir impureses metàl·liques del catalitzador, que requereixen tractament de purificació.
La selecció del catalitzador és fonamental-el catalitzador determina directament la qualitat i el rendiment del producte.
Resum:El mètode CVD és l'opció òptima per a la industrialització-tot i que la puresa és lleugerament inferior als dos primers mètodes, té avantatges complets en rendiment, cost i controlabilitat.
3. Resum comparatiu dels tres mètodes
| Dimensió de comparació | Descàrrega d'arc | Ablació làser | Deposició de vapor químic (CVD) |
|---|---|---|---|
| Temperatura de reacció | ~4000 graus | 800-1500 graus | 600-1000 graus |
| Puresa del producte | Alt (però conté impureses) | Molt alt | Mitjà (requereix purificació) |
| Perfecció estructural | Alt | Molt alt | Mitjà (té defectes) |
| Rendiment | Baixa | Molt Baix | Alt |
| Consum d'energia | Alt | Molt alt | Relativament Baixa |
| Cost de l'equip | Mitjana | Molt alt | Mitjana |
| Controlabilitat | Pobre | Mitjana | Bé |
| Producció contínua | No | No | Sí |
| Potencial d'industrialització | Baixa | Molt Baix | Alt |
Conclusió bàsica:Els mètodes de descàrrega d'arc i d'ablació làser són adequats per preparar mostres d'alta{0}}qualitat als laboratoris; el mètode CVD és l'única opció per a la producció industrial a gran-escala.
4. Tecnologia CVD avançada: del laboratori a l'escala de deu-mil-tones
La pròpia tecnologia CVD està en evolució contínua. A més de la CVD tèrmica tradicional, s'han desenvolupat tècniques avançades com ara la CVD-de plasma millorada (PECVD) i la CVD de plasma de microones. Aquests poden fer créixer CNT a temperatures encara més baixes i proporcionar un control més precís sobre l'alineació i l'orientació del tub.
Avenços en la industrialització de CVD per part de les empreses xineses:
Shandong Tanfeng és una de les poques empreses nacionals que ha dominat la tecnologia bàsica per produir nanomaterials de carboni mitjançant el mètode-en fase gasosa. Mitjançant un control totalment automatitzat, el rendiment del producte s'ha incrementat fins al 99%. La capacitat de producció s'ha ampliat fins a 2.000 tones anuals, la qual cosa la converteix en una de les bases de producció de CNT més grans del món.
5. Avantatges dels fabricants: fer que la tecnologia CVD sigui "capaç" a "fàcil d'utilitzar"
Com a fabricant de CNT, hem escollit la via de la tecnologia CVD i hem fet diverses coses concretes a nivell d'industrialització:
Dominar la tecnologia bàsica de disseny i preparació de catalitzadors.En el mètode CVD, el catalitzador és l'"ànima"-determina directament el diàmetre, el nombre de parets i el rendiment de CNT. Mitjançant el nostre sistema de catalitzador desenvolupat de manera independent, hem aconseguit un control precís de l'estructura del producte, amb una distribució de diàmetres estrets i una bona consistència entre lots-a-.
Trencant el coll d'ampolla de l'escalada del reactor-.Els reactors CVD tradicionals tenen una baixa capacitat de producció d'una-unitat. La construcció d'una planta de deu-mil-tones requeriria desenes d'unitats que funcionin en paral·lel, la qual cosa implicaria una gran inversió i una gestió difícil. Hem adoptat un disseny de reactors a gran-generació de tercera-generació, on la capacitat d'una sola unitat és diverses vegades superior a la dels equips tradicionals, reduint significativament el consum d'energia i els costos laborals.
Actualment, els nostres productes CNT s'utilitzen àmpliament en additius conductors de bateries de liti per a vehicles d'energia nova, compostos de polímers avançats, elastòmers, aeroespacial, transport ferroviari, generació d'energia eòlica i altres camps. Des de les matèries primeres fins als reactors, des dels catalitzadors fins a la purificació i la dispersió, hem dominat tota la cadena de tecnologia per a la producció de CVD de CNT, compromesos a portar aquest "súper material" a milers d'indústries.