Παρασκευή γραφενίου με χρήση καρβιδίου ασβεστίου ως πρώτη ύλη

Γιατί το καρβίδιο του ασβεστίου είναι μια πρακτική πηγή άνθρακα

Το καρβίδιο του ασβεστίου (CaC2) παράγεται από την υψηλή-μείωση της θερμοκρασίας του ασβέστη με άνθρακα σε έναν ηλεκτρικό κλίβανο και παραμένει ένας από τους χαμηλού κόστους-φορείς συμπυκνωμένου άνθρακα που διακινούνται σε χύδην τόνους. Η αξία του για την παραγωγή γραφενίου έγκειται στην αντιδραστικότητα του ιόντος καρβιδίου: ο σκελετός άνθρακα που απαιτείται για τη δισδιάστατη ανάπτυξη έχει ήδη συναρμολογηθεί σε μια απλή μονάδα δύο- άνθρακα, επομένως η πρώτη ύλη φθάνει με πολύ λιγότερες εργασίες προ-επεξεργασίας από ό,τι ο φυσικός γραφίτης ή το αέριο υδρογονάνθρακα, προτού χρησιμοποιηθούν και τα δύο ως πηγή ανάπτυξης.

Το καρβίδιο ασβεστίου του εμπορίου ταξινομείται κυρίως με βάση την απόδοση σε ακετυλένιο και με βάση το μέγεθος του σβώλου. Οι τυπικές κατηγορίες μεγεθών περιλαμβάνουν 0-5 mm, 5-25 mm, 25-50 mm και 50-80 mm. Οι χονδροειδείς κατηγορίες επιλέγονται συνήθως για χημική σύνθεση επειδή εκθέτουν μικρότερη επιφάνεια στην υγρασία του περιβάλλοντος κατά την αποθήκευση και τη μεταφορά, επομένως λιγότερο υλικό χάνεται σε πρόωρη υδρόλυση πριν φτάσει στον αντιδραστήρα.

Πέντε-Διαδρομή προετοιμασίας για δύο-διαστάσεις γραφένιο

Το πρώτο βήμα σχηματίζει τον πρόδρομο πηγής άνθρακα. Το καρβίδιο του ασβεστίου και ένα τασιενεργό φορτώνονται σε έναν κλειστό αναδευτήρα σε αναλογία μάζας 50:(3-6). Το δοχείο διατηρείται στους 60-100 βαθμούς C και αναδεύεται στις 80-120 rpm για 5-10 λεπτά. Η μέτρια θερμοκρασία και η χαμηλή διάτμηση χρησιμοποιούνται σκόπιμα, επειδή η τοπική υπερθέρμανση θα αποσυνθέσει το επιφανειοδραστικό πριν μπορέσει να σταθεροποιήσει το διασπαρμένο καρβίδιο.

Το δεύτερο βήμα δημιουργεί το πρότυπο. Ο ρεκτορίτης πλένεται πρώτα με αιθανόλη και στη συνέχεια συνδυάζεται με έναν καταλύτη σε αναλογία μάζας ρεκτορίτη-προς-καταλύτη 8:(0,1-0,3). Το μίγμα επεξεργάζεται σε μονάδα μικροκυμάτων ονομαστικής ισχύος 500-600 W για 3-5 λεπτά για να δώσει ένα εκμαγείο καταλύτη που υποστηρίζεται από ρεκτορίτη. Το πλύσιμο με αιθανόλη είναι ένα σημείο ελέγχου και όχι ένα βήμα καθαρισμού: το προσροφημένο νερό στον άργιλο ανταγωνίζεται τον πρόδρομο άνθρακα κατά τη διάρκεια της παρεμβολής και μειώνει την ομοιομορφία της πλήρωσης του ενδιάμεσου στρώματος.

Το τρίτο βήμα είναι το στάδιο της παρεμβολής. Ο πρόδρομος από το βήμα ένα και το φορτωμένο πρότυπο από το βήμα δύο φορτώνονται σε έναν κλειστό αναμικτήρα διασποράς σε αναλογία μάζας 1:(3-4). Ο αναμικτήρας διατηρείται στους 60-80 βαθμούς C και λειτουργεί στις 800-1000 σ.α.λ. ενώ εφαρμόζεται κενό 5-10 MPa για 10-20 λεπτά, έτσι ώστε ο πρόδρομος να αναρροφάται και να διατηρείται μέσα στις στοές ενδιάμεσης στιβάδας rectorite. Το προϊόν είναι ένας πρόδρομος πηγής άνθρακα με ενδιάμεση στιβάδα.

Το τέταρτο βήμα είναι το στάδιο ανάπτυξης. Ο παρεμβαλλόμενος πρόδρομος τοποθετείται σε κλειστό ξηρό αντιδραστήρα, προστίθεται ένα μικτό οξύ και ο αντιδραστήρας θερμαίνεται στους 800-1000 βαθμούς C υπό ροή αργού 80-100 ml/min. Ο χρόνος αντίδρασης είναι 3-8 ώρες, μετά τις οποίες το φορτίο ψύχεται φυσικά στους 20 βαθμούς Κελσίου περίπου. Το πλαίσιο του ρεκτορίτη στη συνέχεια αφαιρείται με 30-50% νιτρικό οξύ κατά μάζα για να αφήσει ένα πρωτογενές προϊόν γραφενίου.

Το πέμπτο βήμα καθαρίζει το προϊόν. Το πρωτογενές προϊόν πλένεται με αλκαλικό διάλυμα έως ότου το υγρό πλύσης είναι ουδέτερο και στη συνέχεια ξηραίνεται. Η έξοδος είναι μεγάλου μεγέθους-δισδιάστατου-γραφενίου με πάχος στρώματος 2 nm ή λιγότερο, που ισοδυναμεί με ένα μικρό αριθμό στοιβαγμένων στρωμάτων άνθρακα.

Πρακτική σε φούρνο και ενεργειακή ένταση της πρώτης ύλης

Η ηλεκτρική-αναγωγή σε φούρνο είναι η μόνη οδός που χρησιμοποιείται για τη βιομηχανική παραγωγή καρβιδίου του ασβεστίου. Το τηγμένο καρβίδιο ρέει από τον πυθμένα του κλιβάνου αντίδρασης σε μια δεξαμενή υποδοχής και ψύχεται σε ένα στερεό προϊόν που στη συνέχεια συνθλίβεται και κοσκινίζεται. Η λειτουργία είναι μια διαδικασία έντονης-θερμοκρασίας, σκόνης-. Στη δεκαετία του 1980, η παραγωγή ενός τόνου βιομηχανικού καρβιδίου του ασβεστίου κατανάλωνε 10 έως 11 GJ ηλεκτρικής ενέργειας. Οι κλειστοί κάμινοι-μεγάλης χωρητικότητας προτιμώνται πλέον επειδή μειώνουν τις απώλειες θερμότητας και καθιστούν το μονοξείδιο του άνθρακα από{10}}προϊόν ανακτήσιμο ως καύσιμο ή ως χημική πρώτη ύλη αντί να το φουσκώνουν.

Παράμετροι ποιότητας που πρέπει να καθοριστούν για το προϊόν γραφενίου

Τρεις τιμές αποδοχής ελέγχουν την εμπορική αξία του προϊόντος: πάχος στρώσης, μέγεθος πλευρικής νιφάδας και υπολειμματική ανόργανη περιεκτικότητα. Ένα πάχος στρώσης 2 nm ή λιγότερο πρέπει να επιβεβαιωθεί με μικροσκοπία και από το αντίστοιχο λεξιλόγιο υλικού δύο-διαστάσεων και το πιστοποιητικό προμηθευτή από μόνο του δεν αποτελεί επαρκή απόδειξη. Τα υπολειμματικά υπολείμματα καταλύτη και αργίλου ελέγχονται από την επεξεργασία νιτρικού οξέος και από την πλύση εξουδετέρωσης, επομένως η ισχύς του οξέος, η διάρκεια της επεξεργασίας και το τελικό σημείο πλύσης θα πρέπει να εμφανίζονται στο αρχείο παρτίδας. Το ISO/TS 80004-13 ορίζει το γραφένιο και τα σχετικά δισδιάστατα υλικά και παρέχει την ορολογία που χρησιμοποιείται συνήθως όταν αυτές οι τιμές εγγράφονται σε μια προδιαγραφή αγοράς.

Συσκευασία, αποθήκευση και ασφάλεια

Το καρβίδιο του ασβεστίου πρέπει να διατηρείται στεγνό και μακριά από νερό, γιατί η επαφή με την υγρασία παράγει ακετυλένιο, ένα εύφλεκτο αέριο. Τα σφραγισμένα χαλύβδινα βαρέλια σε μεγέθη 50 κιλών και 100 κιλών είναι η συνήθης συσκευασία εξαγωγής και προτιμώνται για εξαγωγή χονδροειδείς σβώλοι των 50-80 mm, επειδή επιβιώνουν από το χειρισμό με λιγότερα λεπτά δημιουργίας. Ένα τύμπανο ή σακούλα που έχει απορροφήσει υγρασία δεν πρέπει ποτέ να ανοίγεται σε κλειστό χώρο χωρίς αερισμό. Από την πλευρά του γραφενίου, το στέγνωμα θα πρέπει να ολοκληρωθεί πριν από τη συσκευασία: η υγρασία που προσροφάται σε μια-επιφάνεια-υψηλή επιφάνεια-σκόνη άνθρακα προάγει την επανασυσσωμάτωση και αλλάζει τη μετρούμενη κατανομή μεγέθους σωματιδίων.

Συχνές Ερωτήσεις

Q:Ποιο είναι το πλεονέκτημα του καρβιδίου του ασβεστίου έναντι του γραφίτη ως πηγή άνθρακα γραφενίου;
Α: Η ραχοκοκαλιά άνθρακα υπάρχει ήδη ως αντιδραστική μονάδα δύο-ανθράκων, επομένως η διαδικασία αποφεύγει τα στάδια καθαρισμού γραφίτη και πυρόλυσης υδρογονανθράκων που καταναλώνουν επιπλέον ενέργεια και κεφάλαιο.

Q:Ποια αναλογία μάζας καρβιδίου του ασβεστίου προς τασιενεργό χρησιμοποιείται στο πρόδρομο στάδιο;
Α: 50:(3-6), αναμεμειγμένο σε κλειστό αναδευτήρα στους 60-100 βαθμούς C και 80-120 rpm για 5-10 λεπτά.

Q:Γιατί το rectorite πλένεται με αιθανόλη πριν από το βήμα μικροκυμάτων;
Α: Η αιθανόλη αφαιρεί το προσροφημένο νερό και η υπολειπόμενη υγρασία θα ανταγωνιζόταν τον πρόδρομο άνθρακα όταν έλκεται στις στοές των ενδιάμεσων στρωμάτων κατά τη διάρκεια της παρεμβολής κενού.

Q:Ποιο επίπεδο κενού και ταχύτητα ανάμιξης χρησιμοποιούνται στον αναμικτήρα διασποράς;
Α: 800-1000 rpm με κενό 5-10 MPa για 10-20 λεπτά σε ελεγχόμενη θερμοκρασία 60-80 βαθμών C.

Q:Ποιες είναι οι συνθήκες ανάπτυξης μέσα στον ξηρό αντιδραστήρα;
Α: 800-1000 βαθμοί C για 3-8 ώρες υπό αργό στα 80-100 ml ανά λεπτό, ακολουθούμενη από φυσική ψύξη στους περίπου 20 βαθμούς C.

Q:Πώς αφαιρείται το πρότυπο rectorite μετά την ανάπτυξη;
Α: Με 30-50% νιτρικό οξύ κατά μάζα, μετά το οποίο το προϊόν πλένεται με αλκαλικό διάλυμα έως ουδετερότητας και ξηραίνεται μέχρι την τελική σκόνη γραφενίου.