วิธีการเตรียมท่อนาโนคาร์บอนมีอะไรบ้าง

1. ท่อนาโนคาร์บอน "เติบโต" ได้อย่างไร

ท่อนาโนคาร์บอนไม่ได้ถูกขุดขึ้นมาจากพื้นดิน พวกมัน "เติบโต" ในห้องปฏิบัติการ อะตอมของคาร์บอนจัดเรียงใหม่ในลักษณะเฉพาะ โดยขดตัวเป็นโครงสร้างท่อกลวง-ซึ่งเป็นกระบวนการที่คล้ายกับการรีดแผ่นกระดาษกราฟีนลงในฟาง

นับตั้งแต่การค้นพบในปี 1991 นักวิทยาศาสตร์ได้พัฒนาวิธีการต่างๆ เพื่อเตรียม "สุดยอดวัสดุ" นี้ วิธีการปล่อยอาร์ค วิธีการทำลายด้วยเลเซอร์ และวิธีการสะสมไอสารเคมี (CVD) เป็นวิธีที่นิยมใช้มากที่สุดสามวิธี บทความนี้จะกล่าวถึงข้อมูลเฉพาะของแต่ละวิธี-วิธีดำเนินการ ข้อดีและข้อเสียตามลำดับ และวิธีใดที่เหมาะกับการผลิตทางอุตสาหกรรมมากกว่า

2. คำอธิบายโดยละเอียดของวิธีการเตรียมการหลัก 3 วิธี

2.1 วิธีการปล่อยอาร์ก: วิธีการ "ดั้งเดิมที่สุด"

วิธีการปล่อยส่วนโค้งเป็นวิธีแรกที่ใช้ในการค้นพบ CNT และถือได้ว่าเป็นเทคโนโลยี "เก๋า"

มันทำงานอย่างไร?
ก๊าซเฉื่อย (โดยทั่วไปคือฮีเลียมหรืออาร์กอน) ถูกนำเข้าไปในเครื่องปฏิกรณ์ และใช้แท่งกราไฟท์สองแท่งเป็นขั้วบวกและแคโทด เมื่อใช้กระแสตรง กราไฟท์ที่ขั้วบวกจะถูกทำให้ระเหยโดยอุณหภูมิสูง และอะตอมของคาร์บอนจะจัดเรียงใหม่เพื่อสร้าง CNT โดยสะสมเป็น "เขม่า" บนพื้นผิวแคโทดและผนังเครื่องปฏิกรณ์

ความแตกต่างในผลิตภัณฑ์:

CNT แบบหลาย-:สามารถสังเคราะห์ได้โดยใช้อิเล็กโทรดกราไฟท์บริสุทธิ์โดยตรง

CNT ผนังเดี่ยว-:จำเป็นต้องเติมตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นโลหะ เช่น เหล็ก โคบอลต์ หรือนิกเกิล ลงในขั้วบวก

ข้อดี:

ความตกผลึกของผลิตภัณฑ์สูงและโครงสร้างที่สมบูรณ์แบบ-มีข้อบกพร่องที่ผนังเล็กน้อย มีการสร้างกราฟในระดับสูง

เทคโนโลยีค่อนข้างครบกำหนด อุปกรณ์เรียบง่าย

คุณภาพผลิตภัณฑ์ดีที่สุดจากสามวิธี

ข้อเสีย:

ใช้พลังงานสูง ต้องใช้สุญญากาศสูงและสภาวะอุณหภูมิจำเพาะ

ผลผลิตต่ำ ยากที่จะขยายขนาดทางเศรษฐกิจ

ผลิตภัณฑ์ผสมกับคาร์บอนอสัณฐาน ฟูลเลอรีน และสิ่งสกปรกอื่นๆ จำนวนมาก โดยต้องมีขั้นตอนการทำให้บริสุทธิ์繁琐

CNT โลหะและเซมิคอนดักเตอร์ผสมกันและไม่สามารถแยกออกจากกัน

ต้องมีการเปลี่ยนอิเล็กโทรดและเป้าหมายเป็นระยะ

สรุป:คุณภาพดี แต่ผลผลิตต่ำและมีสิ่งสกปรกสูง ไม่เหมาะสำหรับการผลิตขนาดใหญ่ทางอุตสาหกรรม-

2.2 วิธีการระเหยด้วยเลเซอร์: ความแม่นยำสูงสุด อัตราผลตอบแทนต่ำสุด

วิธีการระเหยด้วยเลเซอร์ได้รับการรายงานครั้งแรกโดย Guo และเพื่อนร่วมงานในปี 1995 และถือได้ว่าเป็น "เวอร์ชันอัปเกรด" ของวิธีการปล่อยส่วนโค้ง

มันทำงานอย่างไร?
ในบรรยากาศเฉื่อยที่มีอุณหภูมิสูง- (800–1500 องศา ) พัลส์ลำแสงเลเซอร์พลังงานสูง-จะโจมตีเป้าหมายกราไฟท์แข็งที่ติดตั้งอยู่ในหลอดควอทซ์และทำให้กลายเป็นไอ อะตอมของคาร์บอนรวมตัวกันเป็น CNT ซึ่งจากนั้นจะถูกรวบรวมเป็นเขม่าที่มีคาร์บอน-ภายในอุปกรณ์

ข้อดี:

CNT สังเคราะห์มีโครงสร้างที่สมบูรณ์แบบสูง

สามารถผลิต SWCNT โดยไม่มีสิ่งเจือปน MWCNT

สามารถควบคุมการผลิตไคราลิตีเฉพาะได้ (เช่น (10,10) CNTs)

ผลิตสิ่งเจือปนคาร์บอนอสัณฐานน้อยลง

ข้อเสีย:

อุปกรณ์ที่ซับซ้อนและมีราคาแพง ต้นทุนเลเซอร์สูง

ให้ผลผลิตต่ำมาก-ปริมาณมิลลิกรัมต่อการเตรียมการเท่านั้น

การใช้พลังงานสูง ต้องใช้สภาวะอุณหภูมิและความดันสูง

ยังมีปัญหาเรื่องสิ่งเจือปนที่ต้องทำให้บริสุทธิ์后续

ปัจจัยที่มีอิทธิพล:องค์ประกอบทางเคมีของชิ้นงาน กำลังเลเซอร์และความยาวคลื่น และระยะห่างระหว่างซับสเตรตและชิ้นงาน ล้วนส่งผลต่อผลผลิตและคุณภาพของผลิตภัณฑ์

สรุป:ความแม่นยำและความบริสุทธิ์สูงสุด แต่ผลผลิตต่ำอย่างน่าสมเพช เหมาะสำหรับการวิจัยด้านกลไกในห้องปฏิบัติการเท่านั้น

2.3 การสะสมไอสารเคมี (CVD): "ส่วนสำคัญ" ของการทำให้เป็นอุตสาหกรรม

ปัจจุบันวิธี CVD เป็นทางเลือกหลักสำหรับการผลิตทางอุตสาหกรรมและเป็นวิธีการที่มีแนวโน้มมากที่สุดในการบรรลุการผลิตขนาดใหญ่-

มันทำงานอย่างไร?
ไฮโดรคาร์บอนหรือคาร์บอน-ที่มีออกไซด์ (เช่น มีเทน อะเซทิลีน เอทิลีน) ถูกนำเข้าไปในเตาหลอมท่อที่มีอุณหภูมิสูง-ซึ่งมีตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นโลหะ (เหล็ก โคบอลต์ นิกเกิล ฯลฯ) ก๊าซสลายตัวบนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยา และอะตอมของคาร์บอนจะจัดเรียงใหม่เพื่อสร้าง CNT

ประเภทอุปกรณ์:เครื่องปฏิกรณ์แนวนอน เครื่องปฏิกรณ์ฟลูอิไดซ์เบด เครื่องปฏิกรณ์แนวตั้ง ฯลฯ

เหตุใด CVD จึงกลายเป็นกระแสหลัก?

อุณหภูมิต่ำกว่า:อุณหภูมิของปฏิกิริยา (600–1,000 องศา ) ต่ำกว่าอุณหภูมิของการปล่อยส่วนโค้งและวิธีเลเซอร์มาก (สูงกว่า 3000 องศา )

การผลิตต่อเนื่อง:มีการนำก๊าซเข้ามาอย่างต่อเนื่อง CNT เติบโตอย่างต่อเนื่อง ทำให้สามารถดำเนินการได้อย่างต่อเนื่อง

ผลผลิตสูง:กำลังการผลิตของเครื่องปฏิกรณ์เดี่ยวมีมากกว่ากำลังการผลิตของอีกสองวิธีมาก

การควบคุมที่ดี:ด้วยการปรับพารามิเตอร์ เช่น ตัวเร่งปฏิกิริยา อุณหภูมิ และอัตราการไหลของก๊าซ ทำให้สามารถควบคุมเส้นผ่านศูนย์กลาง ความยาว และโครงสร้างของ CNT ได้

ข้อเสีย:

ผลิตภัณฑ์มีข้อบกพร่องทางโครงสร้างมากขึ้น ระดับของการสร้างกราฟไม่สูงเท่ากับวิธีการปล่อยส่วนโค้ง

อาจกักเก็บโลหะเจือปนของตัวเร่งปฏิกิริยาไว้ โดยต้องมีการบำบัดให้บริสุทธิ์

การเลือกตัวเร่งปฏิกิริยาเป็นสิ่งสำคัญ-ตัวเร่งปฏิกิริยาจะกำหนดคุณภาพและผลผลิตของผลิตภัณฑ์โดยตรง

สรุป:วิธี CVD เป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดสำหรับอุตสาหกรรม-แม้ว่าความบริสุทธิ์จะด้อยกว่าสองวิธีแรกเล็กน้อย แต่ก็มีข้อได้เปรียบที่ครอบคลุมในด้านผลผลิต ต้นทุน และความสามารถในการควบคุม

3. สรุปการเปรียบเทียบของทั้งสามวิธี

ข้อสรุปหลัก:วิธีการปล่อยอาร์คและการระเหยด้วยเลเซอร์เหมาะสำหรับการเตรียมตัวอย่างคุณภาพสูง-ในห้องปฏิบัติการ วิธี CVD เป็นทางเลือกเดียวสำหรับการผลิตขนาดใหญ่ทางอุตสาหกรรม-

4. เทคโนโลยี CVD ขั้นสูง: จากห้องปฏิบัติการจนถึงสิบ-ขนาดพัน-ตัน

เทคโนโลยี CVD มีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง นอกเหนือจาก CVD ความร้อนแบบดั้งเดิมแล้ว เทคนิคขั้นสูง เช่น CVD ที่ปรับปรุงด้วยพลาสมา- (PECVD) และ CVD พลาสมาไมโครเวฟยังได้รับการพัฒนาอีกด้วย สิ่งเหล่านี้สามารถขยาย CNT ได้ที่อุณหภูมิต่ำลงอีก และให้การควบคุมการจัดตำแหน่งและการวางแนวท่อที่แม่นยำยิ่งขึ้น

ความก้าวหน้าในอุตสาหกรรม CVD โดยบริษัทจีน:

Shandong Tanfeng เป็นหนึ่งในบริษัทในประเทศไม่กี่แห่งที่เชี่ยวชาญเทคโนโลยีหลักในการผลิตวัสดุนาโนคาร์บอนผ่านวิธีเฟสก๊าซ- ด้วยการใช้การควบคุมอัตโนมัติเต็มรูปแบบ ผลผลิตของผลิตภัณฑ์จึงเพิ่มขึ้นมากกว่า 99% ขณะนี้กำลังการผลิตได้ขยายเป็น 2,000 ตันต่อปี ทำให้เป็นหนึ่งในฐานการผลิต CNT ที่ใหญ่ที่สุดในโลก

5. ข้อดีของผู้ผลิต: ทำให้เทคโนโลยี CVD จาก "ความสามารถ" เป็น "ใช้งานง่าย"

ในฐานะผู้ผลิต CNT เราได้เลือกเส้นทางเทคโนโลยี CVD และได้ทำสิ่งที่เป็นรูปธรรมหลายประการในระดับอุตสาหกรรม:

การเรียนรู้เทคโนโลยีหลักของการออกแบบและการเตรียมตัวเร่งปฏิกิริยาในวิธี CVD ตัวเร่งปฏิกิริยาคือ "จิตวิญญาณ"- ซึ่งกำหนดเส้นผ่านศูนย์กลาง จำนวนผนัง และผลผลิตของ CNT โดยตรง ด้วยระบบตัวเร่งปฏิกิริยาที่พัฒนาขึ้นอย่างอิสระของเรา เราจึงสามารถควบคุมโครงสร้างผลิตภัณฑ์ได้อย่างแม่นยำ โดยมีการกระจายเส้นผ่านศูนย์กลางแคบและแบทช์ที่ดี-ถึง-ความสม่ำเสมอของแบทช์

ก้าวข้ามปัญหาคอขวดของการขยายขนาดเครื่องปฏิกรณ์-เครื่องปฏิกรณ์ CVD แบบดั้งเดิมมีกำลังการผลิต-หน่วยเดียวต่ำ การสร้างโรงงานจำนวนสิบ-พัน-ตันจะต้องใช้หน่วยหลายสิบหน่วยที่ทำงานขนานกัน ซึ่งเกี่ยวข้องกับการลงทุนสูงและการจัดการที่ยากลำบาก เราได้นำการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ขนาดใหญ่-รุ่นที่สามมาใช้ ซึ่งมีความจุของหน่วยเดียวมากกว่าอุปกรณ์แบบเดิมหลายเท่า ซึ่งช่วยลดการใช้พลังงานและต้นทุนแรงงานลงได้อย่างมาก

ปัจจุบัน ผลิตภัณฑ์ CNT ของเราถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในสารเติมแต่งที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าของแบตเตอรี่ลิเธียมสำหรับยานยนต์พลังงานใหม่ คอมโพสิตโพลีเมอร์ขั้นสูง อีลาสโตเมอร์ การบินและอวกาศ การขนส่งทางรถไฟ การผลิตพลังงานลม และสาขาอื่นๆ ตั้งแต่วัตถุดิบไปจนถึงเครื่องปฏิกรณ์ จากตัวเร่งปฏิกิริยาไปจนถึงการทำให้บริสุทธิ์และการกระจายตัว เราได้เชี่ยวชาญห่วงโซ่เทคโนโลยีทั้งหมดสำหรับการผลิต CVD ของ CNT โดยมุ่งมั่นที่จะนำ "ซุปเปอร์วัสดุ" นี้เข้าสู่อุตสาหกรรมหลายพันแห่ง