Miks on kaltsiumkarbiid praktiline süsinikuallikas?
Kaltsiumkarbiidi (CaC2) toodetakse lubja kõrgel-temperatuuril taandamisel süsinikuga elektriahjus ja see on endiselt üks odavamaid-kontsentreeritud süsinikukandjaid, millega kaubeldakse lahtiselt. Selle väärtus grafeeni tootmisel seisneb karbiidiooni reaktsioonivõimes: kahe-dimensiooniliseks kasvuks vajalik süsiniku karkass on juba kokku pandud lihtsasse kahe-süsinikusse, nii et tooraine jõuab kohale palju vähema eeltöötlusega kui looduslik grafiit või süsivesinikgaas, mis tuleb mõlemat kasvuallikat enne krakkimist või puhastamist puhastada.
Kaubanduslik kaltsiumkarbiidi liigitatakse peamiselt atsetüleeni saagise ja tükkide suuruse järgi. Standardsete suurusklasside hulka kuuluvad 0-5 mm, 5-25 mm, 25-50 mm ja 50-80 mm. Keemilise sünteesi jaoks valitakse tavaliselt jämedad klassid, kuna need puutuvad ladustamise ja transportimise ajal vähem kokku ümbritseva niiskusega, nii et enne reaktorisse jõudmist kaob enneaegse hüdrolüüsi tõttu vähem materjali.
Viie{0}}etapiline ettevalmistustee kahe-mõõtmelise grafeeni jaoks
Esimene samm moodustab süsinikuallika eelkäija. Kaltsiumkarbiid ja pindaktiivne aine kantakse suletud segistisse massisuhtega 50:(3-6). Anumat hoitakse temperatuuril 60-100 °C ja segatakse kiirusel 80-120 p/min 5-10 minutit. Mõõdukat temperatuuri ja madalat nihkejõudu kasutatakse teadlikult, kuna kohalik ülekuumenemine lagundab pindaktiivset ainet enne, kui see suudab dispergeeritud karbiidi stabiliseerida.
Teine samm loob malli. Rektoriiti pestakse esmalt etanooliga ja seejärel kombineeritakse katalüsaatoriga rektoriidi-/-katalüsaatori massisuhtel 8:(0,1-0,3). Segu töödeldakse mikrolaineahjus võimsusega 500–600 W 3–5 minutit, et saada rektoriidiga toetatud katalüsaatormatriit. Etanoolipesu on pigem kontrollpunkt kui puhastusetapp: savis adsorbeerunud vesi konkureerib interkalatsiooni käigus süsiniku lähteainega ja vähendab vahekihtide täidise ühtlust.
Kolmas etapp on interkalatsiooni etapp. Esimese etapi prekursor ja teisest etapist laetud mall laetakse suletud dispergeerimissegistisse massisuhtega 1:(3-4). Segisti hoitakse temperatuuril 60–80 kraadi C ja see töötab kiirusel 800–1000 pööret minutis, samal ajal kui 10–20 minutiks rakendatakse 5–10 MPa vaakumit, nii et lähteaine tõmmatakse rektoriidi vahekihtide galeriidesse ja hoitakse seal. Toode on rektoriidi vahekihi süsinikuallika lähteaine.
Neljas etapp on kasvuetapp. Interkaleeritud prekursor asetatakse suletud kuiva reaktorisse, lisatakse segatud hape ja reaktor kuumutatakse temperatuurini 800-1000 °C argoonivoolul 80-100 ml/min. Reaktsiooniaeg on 3-8 tundi, mille järel laeng jahtub loomulikult temperatuurini umbes 20 kraadi C. Seejärel eemaldatakse rektoriidi karkass 30-50 massiprotsendilise lämmastikhappega, et jätta grafeeni primaarprodukt.
Viies samm puhastab toodet. Esmasaadust pestakse leeliselahusega, kuni pesuvedelik on neutraalne, ja seejärel kuivatatakse. Väljund on suure-suurusega kahe-mõõtmeline grafeen, mille kihi paksus on 2 nm või vähem, mis võrdub väikese arvu virnastatud süsinikukihtidega.
| Protsessi etapp | Võtmeparameeter | Seadistamine |
|---|---|---|
| Eelkäija moodustumine | CaC2 ja pindaktiivse aine massisuhe | 50:(3-6) |
| Eelkäija moodustumine | Temperatuur / segamine | 60-100 kraadi C / 80-120 p/min / 5-10 min |
| Malli ettevalmistamine | Rektoriidi ja katalüsaatori massi suhe | 8:(0.1-0.3) |
| Malli ettevalmistamine | Mikrolaineahju hinnang / aeg | 500-600 W / 3-5 min |
| Interkalatsioon | Eelkäija ja malli massisuhe | 1:(3-4) |
| Interkalatsioon | Vaakum / dispersiooniaeg | 5-10 MPa / 10-20 min 800-1000 p/min |
| Kasvureaktsioon | Temperatuur / aeg / argooni vool | 800-1000 kraadi C / 3-8 h / 80-100 ml minutis |
| Puhastamine | Lämmastikhappe tugevus | 30-50 massiprotsenti, seejärel pese neutraalseks |
Ahjupraktika ja lähteaine energiamahukus
Elektriline{0}}ahju reduktsioon on ainus viis tööstuslikuks kaltsiumkarbiidi tootmiseks. Sulakarbiid voolab reaktsiooniahju põhjast vastuvõtupaaki ja jahutatakse tahkeks tooteks, mis seejärel purustatakse ja sõelutakse. Toiming on kõrge-temperatuuri ja tolmu-intensiivne protsess. 1980. aastatel kulus ühe tonni tööstusliku kaltsiumkarbiidi tootmiseks 10–11 GJ elektrienergiat; Nüüd eelistatakse suletud suure võimsusega-ahjusid, kuna need vähendavad soojuskadusid ja muudavad süsinikmonooksiidi kõrvalsaaduse kütusena või keemilise lähteainena taaskasutavaks, mitte põletamiseks.
Grafeentoote kvaliteediparameetrid
Väljundi kaubanduslikku väärtust kontrollivad kolm aktsepteerimisväärtust: kihi paksus, külgmiste helveste suurus ja anorgaanilise jääksisaldus. Kihi paksus 2 nm või vähem tuleb kinnitada mikroskoopia ja vastava kahe-mõõtmelise materjali sõnavaraga ning tarnija sertifikaat üksi ei ole piisav tõend. Katalüsaatori ja savi jääke kontrollitakse lämmastikhappega töötlemise ja neutraliseerimispesuga, nii et happe tugevus, töötlemise kestus ja pesemise lõpp-punkt peaksid kõik olema partii kirjes. ISO/TS 80004{6}}13 määratleb grafeeni ja sellega seotud kahemõõtmelised materjalid ning pakub terminoloogiat, mida tavaliselt kasutatakse, kui need väärtused on ostuspetsifikatsioonis kirjas.
Pakendamine, ladustamine ja ohutus
Kaltsiumkarbiidi tuleb hoida kuivas ja veest eemal, kuna kokkupuutel niiskusega tekib atsetüleen, tuleohtlik gaas. Tavalised ekspordipakendid on suletud terastrumlid kaaluga 50 kg ja 100 kg ning ekspordiks eelistatakse jämedaid 50-80 mm tükke, kuna need taluvad käsitsemist väiksema peente tekkega. Niiskust imanud trumlit või kotti ei tohi kunagi avada suletud ruumis ilma ventilatsioonita. Grafeeni poolel tuleks kuivatamine lõpule viia enne pakkimist: kõrgele-pinnale-adsorbeerunud süsinikupulber soodustab uuesti-aglomeratsiooni ja muudab mõõdetud osakeste suuruse jaotust.
Korduma kippuvad küsimused
Q:Mis on kaltsiumkarbiidi eelis grafeeni süsinikuallikana võrreldes grafiidiga?
V: Süsinikkarkass on juba olemas reaktiivse kahe-süsinikuna, seega välditakse protsessis grafiidi puhastamise ja süsivesinike krakkimise etappe, mis kulutavad täiendavat energiat ja kapitali.
Q:Millist kaltsiumkarbiidi ja pindaktiivse aine massisuhet kasutatakse lähtefaasis?
A: 50:(3-6), segada suletud segistis temperatuuril 60-100 kraadi C ja 80-120 p/min 5-10 minutit.
Q:Miks pestakse rektoriiti enne mikrolaineahjus etanooliga?
V: Etanool eemaldab adsorbeerunud vee ja jääkniiskus konkureeriks süsiniku lähteainega, kui see tõmmatakse vaakumi interkalatsiooni ajal vahekihtidesse.
Q:Millist vaakumitaset ja segamiskiirust kasutatakse dispergeerimissegistis?
A: 800-1000 p/min vaakumiga 5-10 MPa 10-20 minutit kontrollitud temperatuuril 60-80 kraadi C.
Q:Millised on kasvutingimused kuivreaktoris?
A: 800-1000 kraadi C 3-8 tundi argooni all 80-100 ml minutis, millele järgneb loomulik jahutamine umbes 20 kraadini C.
Q:Kuidas eemaldatakse rektoriidi mall pärast kasvatamist?
V: 30–50 massiprotsendilise lämmastikhappega, misjärel toode pestakse leeliselahusega neutraalsuseni ja kuivatatakse lõpliku grafeenipulbrini.