Waarom calciumcarbide een praktische koolstofbron is
Calciumcarbide (CaC2) wordt vervaardigd door de hoge-temperatuurverlaging van kalk met koolstof in een elektrische oven, en het blijft een van de-goedkoopste geconcentreerde koolstofdragers die in bulk worden verhandeld. De waarde ervan voor de productie van grafeen ligt in de reactiviteit van het carbide-ion: het koolstofskelet dat nodig is voor twee{4}}dimensionale groei is al geassembleerd in een eenvoudige twee-koolstofeenheid, zodat de grondstof met veel minder voor-voorbehandeling arriveert dan natuurlijk grafiet of koolwaterstofgas, die beide eerst moeten worden gekraakt of gezuiverd voordat ze als groeibron kunnen worden gebruikt.
Commercieel calciumcarbide wordt voornamelijk beoordeeld op basis van de acetyleenopbrengst en de klompgrootte. Standaard maatklassen omvatten 0-5 mm, 5-25 mm, 25-50 mm en 50-80 mm. De grove klassen worden normaal gesproken geselecteerd voor chemische synthese omdat ze tijdens opslag en transport minder oppervlakte blootstellen aan omgevingsvocht, zodat er minder materiaal verloren gaat door voortijdige hydrolyse voordat het de reactor bereikt.
Vijf- voorbereidingsroute voor twee-dimensionaal grafeen
Stap één vormt de voorloper van de koolstofbron. Calciumcarbide en een oppervlakteactieve stof worden in een gesloten roerder geladen met een massaverhouding van 50:(3-6). Het vat wordt op 60-100°C gehouden en gedurende 5-10 minuten bij 80-120 rpm geroerd. Er wordt doelbewust gebruik gemaakt van gematigde temperaturen en lage afschuiving, omdat plaatselijke oververhitting de oppervlakteactieve stof zou ontbinden voordat deze het gedispergeerde carbide kan stabiliseren.
Stap twee bouwt de sjabloon. Rectoriet wordt eerst gewassen met ethanol en vervolgens gecombineerd met een katalysator bij een rectoriet-tot-katalysatormassaverhouding van 8:(0,1-0,3). Het mengsel wordt gedurende 3-5 minuten behandeld in een microgolfeenheid met een vermogen van 500-600 W, waardoor een door rectoriet ondersteund katalysatorsjabloon wordt verkregen. Het wassen met ethanol is eerder een controlepunt dan een reinigingsstap: geadsorbeerd water in de klei concurreert met de koolstofvoorloper tijdens intercalatie en vermindert de uniformiteit van de tussenlaagvulling.
Stap drie is de intercalatiefase. De voorloper uit stap één en het geladen sjabloon uit stap twee worden in een gesloten dispergerende menger geladen met een massaverhouding van 1:(3-4). De menger wordt op 60-80°C gehouden en op 800-1000 rpm gedraaid, terwijl gedurende 10-20 minuten een vacuüm van 5-10 MPa wordt aangelegd, zodat de precursor in de rectorieten tussenlaaggalerijen wordt gezogen en vastgehouden. Het product is een voorloper van een rectoriet-tussenlaagkoolstofbron.
Stap vier is de groeifase. De geïntercaleerde precursor wordt in een gesloten droge reactor geplaatst, er wordt een gemengd zuur toegevoegd en de reactor wordt verwarmd tot 800-1000 graden C onder een argonstroom van 80-100 ml/min. De reactietijd is 3-8 uur, waarna de lading op natuurlijke wijze afkoelt tot ongeveer 20 graden C. Het rectorietraamwerk wordt vervolgens verwijderd met 30-50 massaprocent salpeterzuur om een primair grafeenproduct achter te laten.
Stap vijf zuivert het product. Het primaire product wordt gewassen met een alkalische oplossing totdat de wasvloeistof neutraal is en vervolgens gedroogd. De output is groot-tweedimensionaal grafeen met een laagdikte van 2 nm of minder, wat overeenkomt met een klein aantal gestapelde koolstoflagen.
| Procesfase | Sleutelparameter | Instelling |
|---|---|---|
| Voorlopervorming | Massaverhouding CaC2 tot oppervlakteactieve stof | 50:(3-6) |
| Voorlopervorming | Temperatuur / roeren | 60-100 graden C / 80-120 tpm / 5-10 min |
| Voorbereiding van sjabloon | Massaverhouding rectoriet tot katalysator | 8:(0.1-0.3) |
| Voorbereiding van sjabloon | Magnetronwaarde / tijd | 500-600 W / 3-5 min |
| Intercalatie | Voorloper van de massaverhouding van het sjabloon | 1:(3-4) |
| Intercalatie | Vacuüm-/dispersietijd | 5-10 MPa / 10-20 min bij 800-1000 tpm |
| Groei reactie | Temperatuur / tijd / argonstroom | 800-1000 graden C / 3-8 uur / 80-100 ml per min |
| Zuivering | Salpeterzuur sterkte | 30-50 massa%, daarna wassen tot neutraal |
Ovenpraktijk en energie-intensiteit van de grondstof
Reductie van elektrische-ovens is de enige route die wordt gebruikt voor de industriële productie van calciumcarbide. Gesmolten carbide stroomt van de bodem van de reactieoven naar een opvangtank en wordt afgekoeld tot een vast product dat vervolgens wordt vermalen en gezeefd. De bewerking is een hoge-temperatuur-, stof-intensief proces. In de jaren tachtig kostte de productie van één ton industrieel calciumcarbide 10 tot 11 GJ aan elektrische energie; Gesloten ovens met een grote-capaciteit hebben nu de voorkeur omdat ze het warmteverlies verminderen en het koolmonoxide-bijproduct-herstelbaar maken als brandstof of als chemische grondstof in plaats van het af te fakkelen.
Kwaliteitsparameters die moeten worden gespecificeerd voor het grafeenproduct
Drie acceptatiewaarden bepalen de commerciële waarde van de output: laagdikte, laterale vlokgrootte en resterende anorganische inhoud. Een laagdikte van 2 nm of minder moet worden bevestigd door microscopie en door de overeenkomstige twee- materiaalwoordenschat, en het leverancierscertificaat alleen is niet voldoende bewijs. Resterende katalysator- en kleiresiduen worden gecontroleerd door de salpeterzuurbehandeling en door de neutralisatiewassing, dus de zuursterkte, behandelingsduur en het waseindpunt moeten allemaal in het batchrecord verschijnen. ISO/TS 80004-13 definieert grafeen en verwante tweedimensionale materialen en biedt de terminologie die normaal gesproken wordt gebruikt wanneer deze waarden in een aankoopspecificatie worden geschreven.
Verpakking, opslag en veiligheid
Calciumcarbide moet droog en uit de buurt van water worden bewaard, omdat contact met vocht acetyleen genereert, een brandbaar gas. Verzegelde stalen vaten in de maten 50 kg en 100 kg zijn de gebruikelijke exportverpakkingen, en voor de export hebben grove brokken van 50-80 mm de voorkeur omdat ze de hantering overleven en er minder fijne deeltjes ontstaan. Een vat of zak die vocht heeft opgenomen, mag nooit worden geopend in een afgesloten ruimte zonder ventilatie. Aan de kant van grafeen moet het drogen voltooid zijn vóór het verpakken: vocht geadsorbeerd op een koolstofpoeder met een groot-oppervlak- bevordert de her-agglomeratie en verandert de gemeten deeltjesgrootteverdeling.
Veelgestelde vragen
Q:Wat is het voordeel van calciumcarbide ten opzichte van grafiet als grafeenkoolstofbron?
A: De koolstofruggengraat is al aanwezig als een reactieve eenheid met twee- koolstofatomen, dus het proces vermijdt de stadia van grafietzuivering en het kraken van koolwaterstoffen die extra energie en kapitaal verbruiken.
Q:Welke massaverhouding van calciumcarbide tot oppervlakteactieve stof wordt gebruikt in de precursorfase?
A: 50:(3-6), gemengd in een gesloten roerder bij 60-100 graden C en 80-120 rpm gedurende 5-10 minuten.
Q:Waarom wordt het rectoriet vóór de magnetronstap met ethanol gewassen?
A: Ethanol verwijdert geadsorbeerd water en restvocht zou concurreren met de koolstofvoorloper wanneer deze tijdens vacuümintercalatie in de tussenlaaggalerijen wordt gezogen.
Q:Welk vacuümniveau en mengsnelheid worden gebruikt in de dispergerende menger?
A: 800-1000 rpm met een vacuüm van 5-10 MPa gedurende 10-20 minuten bij een gecontroleerde temperatuur van 60-80 graden C.
Q:Wat zijn de groeiomstandigheden in de droge reactor?
A: 800-1000 graden C gedurende 3-8 uur onder argon bij 80-100 ml per minuut, gevolgd door natuurlijke koeling tot ongeveer 20 graden C.
Q:Hoe wordt het rectorietsjabloon na groei verwijderd?
A: Met 30-50 massaprocent salpeterzuur, waarna het product wordt gewassen met een alkalische oplossing tot neutraliteit en wordt gedroogd tot het uiteindelijke grafeenpoeder.