Kodėl kalcio karbidas yra praktiškas anglies šaltinis?
Kalcio karbidas (CaC2) gaminamas elektrinėje krosnyje aukštoje -temperatūroje redukuojant kalkes anglimi, todėl jis išlieka vienu pigiausių-koncentruotų anglies nešėjų, kuriais prekiaujama dideliais kiekiais. Jo vertė grafeno gamyboje slypi karbido jonų reaktyvumu: anglies karkasas, reikalingas dvimačiui augimui, jau yra surinktas paprastame dviejų-anglies vienete, todėl žaliava gaunama su daug mažiau išankstinio apdorojimo darbų nei natūralaus grafito ar angliavandenilių dujos, kurias reikia išgryninti, kad būtų galima panaudoti arba išgryninti.
Komercinis kalcio karbidas daugiausia klasifikuojamas pagal acetileno išeigą ir gabalėlių dydį. Standartinės dydžio klasės apima 0-5 mm, 5-25 mm, 25-50 mm ir 50-80 mm. Cheminei sintezei paprastai parenkamos stambiosios klasės, nes saugojimo ir transportavimo metu jos mažiau veikia aplinkos drėgmei, todėl mažiau medžiagos prarandama priešlaikinei hidrolizei, kol ji pasiekia reaktorių.
Penkių-žingsnių paruošimo maršrutas dviejų-dimensijų grafenui
Pirmas žingsnis sudaro anglies šaltinio pirmtaką. Kalcio karbidas ir paviršinio aktyvumo medžiaga įpilama į uždarą maišytuvą masės santykiu 50:(3-6). Indas palaikomas 60-100 laipsnių C temperatūroje ir maišomas 80-120 aps./min. 5-10 minučių. Vidutinė temperatūra ir mažas šlyties poveikis yra naudojami sąmoningai, nes vietinis perkaitimas suskaidys aktyviąją paviršiaus medžiagą, kol ji gali stabilizuoti išsklaidytą karbidą.
Antrasis žingsnis sukuria šabloną. Rektoritas pirmiausia plaunamas etanoliu, o po to sujungiamas su katalizatoriumi, kai rektorito - ir -katalizatoriaus masės santykis yra 8:(0,1-0,3). Mišinys apdorojamas mikrobangų krosnelėje, kurios vardinė galia 500–600 W, 3–5 minutes, kad būtų gautas katalizatoriaus šablonas su rektoritu. Plovimas etanoliu yra kontrolės taškas, o ne valymo etapas: adsorbuotas vanduo molyje konkuruoja su anglies pirmtaku interkalacijos metu ir sumažina tarpsluoksnio užpildymo vienodumą.
Trečias žingsnis yra interkalacijos etapas. Pirmtakas iš pirmo žingsnio ir įkeltas šablonas iš antrojo veiksmo įkraunamas į uždarą dispersinį maišytuvą masės santykiu 1:(3{9}}4). Maišytuvas laikomas 60–80 laipsnių C temperatūroje ir veikia 800–1000 aps./min., o 10–20 minučių veikia 5–10 MPa vakuumas, kad pirmtakas būtų įtrauktas į rektorito tarpsluoksnių galerijas ir išliktų viduje. Produktas yra rektorito tarpsluoksnio anglies šaltinio pirmtakas.
Ketvirtas žingsnis yra augimo etapas. Įterptas pirmtakas dedamas į uždarą sausą reaktorių, įpilama mišrios rūgšties ir reaktorius kaitinamas iki 800-1000 laipsnių C, esant 80-100 ml/min argono srautui. Reakcijos laikas yra 3-8 valandos, po to įkrova natūraliai atšąla iki maždaug 20 laipsnių C. Tada rektorito karkasas pašalinamas 30-50% azoto rūgšties masės, kad liktų grafeno pirminis produktas.
Penktas žingsnis išvalo produktą. Pirminis produktas plaunamas šarmo tirpalu, kol plovimo skystis tampa neutralus, tada džiovinamas. Išeiga yra didelio-dydžio-dviejų matmenų grafenas, kurio sluoksnio storis yra 2 nm arba mažesnis, o tai atitinka nedidelį skaičių sukrautų anglies sluoksnių.
| Proceso stadija | Pagrindinis parametras | Nustatymas |
|---|---|---|
| Pirmtakų susidarymas | CaC2 ir aktyviosios paviršiaus medžiagos masės santykis | 50:(3-6) |
| Pirmtakų susidarymas | Temperatūra / maišymas | 60–100 laipsnių C / 80–120 aps./min. / 5–10 min. |
| Šablonų paruošimas | Rektorito ir katalizatoriaus masės santykis | 8:(0.1-0.3) |
| Šablonų paruošimas | Mikrobangų krosnelės įvertinimas / laikas | 500-600 W / 3-5 min |
| Interkalacija | Pirmtako ir šablono masės santykis | 1:(3-4) |
| Interkalacija | Vakuumo / dispersijos laikas | 5–10 MPa / 10–20 min, esant 800–1000 aps./min. |
| Augimo reakcija | Temperatūra / laikas / argono srautas | 800–1000 laipsnių C / 3–8 val. / 80–100 ml per minutę |
| Valymas | Azoto rūgšties stiprumas | 30-50% masės, tada nuplaukite iki neutralios |
Krosnies praktika ir žaliavos energijos intensyvumas
Elektrinė{0}}krosnis redukcija yra vienintelis pramoninės kalcio karbido gamybos būdas. Išlydytas karbidas teka iš reakcijos krosnies dugno į priėmimo baką ir atšaldomas į kietą produktą, kuris vėliau susmulkinamas ir sijojamas. Operacija yra aukštos-temperatūros, daug dulkių-dauginantis procesas. Devintajame dešimtmetyje gaminant vieną toną pramoninio kalcio karbido sunaudota 10–11 GJ elektros energijos; Dabar pirmenybė teikiama uždaroms, didelės talpos -krosnims, nes jos sumažina šilumos nuostolius ir pašalina anglies monoksidą kaip kurą ar cheminę žaliavą, o ne degina.
Kokybės parametrai, kuriuos reikia nurodyti grafeno gaminiui
Trys priimtinumo reikšmės kontroliuoja produkcijos komercinę vertę: sluoksnio storį, šoninių dribsnių dydį ir likutinį neorganinių medžiagų kiekį. 2 nm ar mažesnis sluoksnio storis turi būti patvirtintas mikroskopu ir atitinkamu dvimačiu -matmenų medžiagos žodynu, o vien tiekėjo sertifikatas nėra pakankamas įrodymas. Katalizatoriaus ir molio likučiai kontroliuojami apdorojant azoto rūgštimi ir neutralizuojant plovimą, todėl rūgšties stiprumas, apdorojimo trukmė ir plovimo galutinis taškas turėtų būti rodomi partijos įraše. ISO/TS 80004{6}}13 apibrėžia grafeną ir susijusias dvimates medžiagas ir pateikia terminus, kurie paprastai naudojami, kai šios vertės įrašomos į pirkimo specifikaciją.
Pakavimas, laikymas ir sauga
Kalcio karbidas turi būti laikomas sausai ir atokiai nuo vandens, nes kontaktuojant su drėgme susidaro acetilenas – degios dujos. Užsandarinti 50 kg ir 100 kg dydžių plieniniai būgnai yra įprastinė eksporto pakuotė, o stambūs 50-80 mm gabalėliai yra pirmenybę teikiantys eksportui, nes jie atlaiko tvarkymą ir susidaro mažiau smulkių dalelių. Drėgmę sugėrusio būgno ar maišelio niekada negalima atidaryti uždaroje erdvėje be ventiliacijos. Iš grafeno pusės džiovinimas turi būti baigtas prieš pakuojant: ant didelio-paviršiaus-padidėjusio anglies miltelių paviršiaus adsorbuota drėgmė skatina re-aglomeraciją ir keičia išmatuotą dalelių dydžio pasiskirstymą.
Dažnai užduodami klausimai
Q:Koks yra kalcio karbido, kaip grafeno anglies šaltinio, pranašumas prieš grafitą?
A. Anglies pagrindas jau yra kaip reaktyvus dviejų{0}}anglies vienetas, todėl procese išvengiama grafito valymo ir angliavandenilių krekingo etapų, kurie sunaudoja papildomos energijos ir kapitalo.
Q:Koks kalcio karbido ir aktyviosios paviršiaus medžiagos masės santykis naudojamas pirmtakų stadijoje?
A: 50:(3-6), maišoma uždarame maišytuve 60-100 laipsnių C temperatūroje ir 80-120 aps./min. 5-10 minučių.
Q:Kodėl prieš mikrobangų krosnelę rektoritas plaunamas etanoliu?
A: Etanolis pašalina adsorbuotą vandenį, o likutinė drėgmė konkuruotų su anglies pirmtaku, kai ji patenka į tarpsluoksnių galerijas vakuumo interkalacijos metu.
Q:Koks vakuumo lygis ir maišymo greitis naudojamas dispersiniame maišytuve?
A: 800–1000 aps./min. su 5–10 MPa vakuumu 10–20 minučių, esant kontroliuojamai 60–80 laipsnių C temperatūrai.
Q:Kokios yra augimo sąlygos sausojo reaktoriaus viduje?
A: 800–1000 laipsnių C 3–8 valandas argono temperatūroje 80–100 ml per minutę, po to natūraliai atvėsinama iki maždaug 20 laipsnių C.
Q:Kaip po augimo pašalinamas rektorito šablonas?
A: Su 30-50% azoto rūgšties masės, po to produktas nuplaunamas šarmo tirpalu iki neutralumo ir išdžiovinamas iki galutinio grafeno miltelių.