Каковы методы получения углеродных нанотрубок?

1. Как «выращивают» углеродные нанотрубки?

Углеродные нанотрубки не добываются из земли; их «выращивают» в лабораториях. Атомы углерода перестраиваются определенным образом, сворачиваясь в полые трубчатые структуры-процесс, аналогичный свертыванию листа графеновой бумаги в соломинку.

С момента своего открытия в 1991 году ученые разработали различные методы приготовления этого «суперматериала». Среди них метод дугового разряда, метод лазерной абляции и метод химического осаждения из паровой фазы (CVD) являются тремя наиболее распространенными подходами. В этой статье обсуждаются особенности каждого метода,-как они работают, их преимущества и недостатки, а также какой из них больше подходит для промышленного производства.

2. Подробное объяснение трех основных методов приготовления.

2.1 Метод дугового разряда: «самый традиционный» метод

Метод дугового разряда был первым методом обнаружения УНТ и может считаться «ветераной» технологией.

Как это работает?
В реактор вводится инертный газ (обычно гелий или аргон), а в качестве анода и катода используются два графитовых стержня. При подаче постоянного тока графит на аноде испаряется под действием высокой температуры, а атомы углерода перестраиваются, образуя УНТ, откладываясь в виде «сажи» на поверхности катода и стенках реактора.

Различия в продуктах:

Многостенные-УНТ:Может быть синтезирован напрямую с использованием электродов из чистого графита.

Одностенные-УНТ:Требуется добавление к аноду металлических катализаторов, таких как железо, кобальт или никель.

Преимущества:

Высокая кристалличность продукта и идеальная структура-мало дефектов стенок, высокая степень графитации.

Относительно зрелая технология, простое оборудование.

Лучшее качество продукции среди трех методов.

Недостатки:

Высокое энергопотребление, требующее высокого вакуума и определенных температурных условий.

Низкая урожайность; трудно масштабировать экономически.

Продукты смешиваются с большим количеством аморфного углерода, фуллеренов и других примесей, что требует проведения стадий очистки.

Металлические и полупроводниковые УНТ смешаны и не могут быть разделены.

Требует периодической замены электродов и мишеней.

Краткое содержание:Хорошее качество, но низкий выход и большое количество примесей; не подходит для промышленного-крупномасштабного производства.

2.2 Метод лазерной абляции: высочайшая точность, минимальный выход

О методе лазерной абляции впервые сообщили Го и его коллеги в 1995 году, и его можно считать «модернизированной версией» метода дугового разряда.

Как это работает?
В инертной атмосфере с высокой-температурой (800–1500 градусов) импульс-лазерного луча высокой энергии бомбардирует твердую графитовую мишень, установленную в кварцевой трубке, испаряя ее. Атомы углерода снова собираются в УНТ, которые затем собираются в виде углеродной -сажи внутри аппарата.

Преимущества:

Синтезированные УНТ обладают высоким структурным совершенством.

Может производить ОСНТ без примесей МУНТ.

Может контролировать производство определенных киральности (например, (10,10) УНТ).

Производит меньше примесей аморфного углерода.

Недостатки:

Сложное и дорогое оборудование; высокая стоимость лазера.

Чрезвычайно низкий выход-только миллиграммы на препарат.

Высокое энергопотребление; требует высоких температур и давления.

Также имеются проблемы с примесями, требующие очистки.

Факторы влияния:Химический состав мишени, мощность и длина волны лазера, а также расстояние между подложкой и мишенью — все это влияет на выход и качество продукта.

Краткое содержание:Высочайшая точность и чистота, но выход прискорбно низок; подходит только для механистических исследований в лабораториях.

2.3 Химическое осаждение из паровой фазы (CVD): «рабочая лошадка» индустриализации

Метод CVD в настоящее время является основным выбором для промышленного производства и наиболее многообещающим методом для достижения крупномасштабного-производства.

Как это работает?
Углеводороды или углерод-содержащие оксиды (например, метан, ацетилен, этилен) вводятся в высоко-трубчатую печь, содержащую металлические катализаторы (железо, кобальт, никель и т. д.). Газ разлагается на поверхности катализатора, и атомы углерода перестраиваются с образованием УНТ.

Типы оборудования:Горизонтальные реакторы, реакторы с псевдоожиженным слоем, вертикальные реакторы и т. д.

Почему ССЗ стали мейнстримом?

Более низкая температура:Температура реакции (600–1000 градусов) значительно ниже, чем у дугового разрядного и лазерного методов (свыше 3000 градусов).

Непрерывное производство:Газ подается постоянно, УНТ постоянно растут, что обеспечивает непрерывную работу.

Высокая доходность:Производственная мощность одного реактора намного превышает мощность двух других методов.

Хорошая управляемость:Регулируя такие параметры, как катализатор, температура и скорость потока газа, можно контролировать диаметр, длину и структуру УНТ.

Недостатки:

Изделия имеют больше структурных дефектов; степень графитизации не такая высокая, как при дуговом методе.

Может сохранять примеси каталитических металлов, требующие очистки.

Выбор катализатора имеет решающее значение-от катализатора напрямую зависит качество и выход продукта.

Краткое содержание:Метод CVD — оптимальный выбор для индустриализации.-хотя чистота немного уступает первым двум методам, он имеет значительные преимущества по выходу, стоимости и управляемости.

3. Сравнение трех методов.

Основной вывод:Методы дугового разряда и лазерной абляции подходят для подготовки-проб высокого качества в лабораториях; метод CVD — единственный выбор для крупномасштабного промышленного-производства.

4. Передовая технология CVD: от лаборатории до масштаба в десять-тысяч-тонн

Сама технология CVD постоянно развивается. В дополнение к традиционному термическому CVD были разработаны такие передовые методы, как плазменное-усиление CVD (PECVD) и микроволновое плазменное CVD. Они позволяют выращивать УНТ при еще более низких температурах и обеспечивают более точный контроль над выравниванием и ориентацией трубок.

Прорывы в индустриализации CVD китайских компаний:

Shandong Tanfeng — одна из немногих отечественных компаний, освоивших основную технологию производства углеродных наноматериалов методом газовой-фазы. Благодаря полностью автоматизированному управлению выход продукта был увеличен до более чем 99%. Производственная мощность теперь увеличена до 2000 тонн в год, что делает ее одной из крупнейших производственных баз УНТ в мире.

5. Преимущества производителей: превращение технологии CVD из «мощной» в «простую в использовании»

Как производитель УНТ, мы выбрали путь технологии CVD и предприняли несколько конкретных действий на уровне индустриализации:

Освоение основной технологии проектирования и приготовления катализаторов.В методе CVD катализатор является «душой»-он напрямую определяет диаметр, количество стенок и выход УНТ. Благодаря нашей независимо разработанной каталитической системе мы добились точного контроля над структурой продукта с узким распределением диаметров и хорошей стабильностью партий-в-партиях.

Устранение препятствий, связанных с расширением масштабов реакторов-.Традиционные реакторы CVD имеют низкую-производительную мощность. Для строительства завода мощностью десять-тысяч-тонн потребуются десятки установок, работающих параллельно, что потребует больших инвестиций и сложного управления. Мы внедрили конструкцию крупномасштабного-реактора третьего-поколения, мощность одного блока которой в несколько раз превышает мощность традиционного оборудования, что значительно снижает потребление энергии и трудозатраты.

В настоящее время наша продукция из УНТ широко используется в проводящих добавках для литиевых батарей для транспортных средств, использующих новые источники энергии, в современных полимерных композитах, эластомерах, в аэрокосмической отрасли, на железнодорожном транспорте, в ветроэнергетике и в других областях. От сырья до реакторов, от катализаторов до очистки и диспергирования — мы освоили всю цепочку технологий CVD-производства УНТ, стремясь внедрить этот «суперматериал» в тысячи отраслей промышленности.