Hvorfor kalsiumkarbid er en praktisk karbonkilde
Kalsiumkarbid (CaC2) produseres ved høy-temperaturreduksjon av kalk med karbon i en elektrisk ovn, og det er fortsatt en av de laveste-konsentrerte karbontransportørene som omsettes i bulktonnasje. Dens verdi for grafenproduksjon ligger i reaktiviteten til karbidionet: karbonskjelettet som trengs for to-dimensjonal vekst er allerede satt sammen i en enkel to-karbonenhet, så råmaterialet kommer med langt mindre for-behandlingsarbeid enn naturlig grafitt eller hydrokarbongass, som begge først må brukes som en kilde før de kan sprekke.
Kommersielt kalsiumkarbid graderes hovedsakelig etter acetylenutbytte og etter klumpstørrelse. Standard størrelsesklasser inkluderer 0-5 mm, 5-25 mm, 25-50 mm og 50-80 mm. De grove klassene velges normalt for kjemisk syntese fordi de utsetter mindre overflateareal for omgivelsesfuktighet under lagring og transport, slik at mindre materiale går tapt ved for tidlig hydrolyse før det når reaktoren.
Fem-forberedelsesrute for to-grafen
Trinn én danner karbonkildeforløperen. Kalsiumkarbid og et overflateaktivt middel fylles i en lukket agitator i et masseforhold på 50:(3-6). Karet holdes på 60-100 grader C og omrøres ved 80-120 rpm i 5-10 minutter. Moderat temperatur og lav skjærkraft brukes bevisst, fordi lokal overoppheting vil bryte ned det overflateaktive stoffet før det kan stabilisere det dispergerte karbidet.
Trinn to bygger malen. Rektoritt vaskes først med etanol og kombineres deretter med en katalysator ved et masseforhold mellom rektoritt-til-katalysator på 8:(0,1-0,3). Blandingen behandles i en mikrobølgeenhet vurdert 500-600 W i 3-5 minutter for å gi en rektorittstøttet katalysatormal. Etanolvasking er et kontrollpunkt snarere enn et rensetrinn: Adsorbert vann i leiren konkurrerer med karbonforløperen under interkalering og reduserer jevnheten til mellomlagsfyllingen.
Trinn tre er interkaleringsstadiet. Forløperen fra trinn én og den ladede malen fra trinn to fylles i en lukket dispergeringsblander i et masseforhold på 1:(3-4). Blanderen holdes ved 60-80 grader C og kjøres med 800-1000 rpm mens det påføres et vakuum på 5-10 MPa i 10-20 minutter, slik at forløperen trekkes inn og holdes inne i rektorittmellomlagsgalleriene. Produktet er en rektoritt-mellomlags karbonkildeforløper.
Trinn fire er vekststadiet. Den interkalerte forløperen plasseres i en lukket tørr reaktor, en blandet syre tilsettes, og reaktoren varmes opp til 800-1000 grader C under en argonstrøm på 80-100 ml/min. Reaksjonstiden er 3-8 timer, hvoretter ladningen avkjøles naturlig til ca. 20 grader C. Rektorittrammeverket fjernes deretter med 30-50 masse% salpetersyre for å etterlate et grafen-primærprodukt.
Trinn fem renser produktet. Primærproduktet vaskes med alkaliløsning inntil vaskevæsken er nøytral og tørkes deretter. Utgangen er to-stor todimensjonal grafen med en lagtykkelse på 2 nm eller mindre, tilsvarende et lite antall stablede karbonlag.
| Prosessstadiet | Nøkkelparameter | Innstilling |
|---|---|---|
| Forløperdannelse | Masseforholdet CaC2 til overflateaktivt middel | 50:(3-6) |
| Forløperdannelse | Temperatur / omrøring | 60-100 grader C / 80-120 rpm / 5-10 min |
| Utarbeidelse av mal | Masseforhold mellom rektoritt og katalysator | 8:(0.1-0.3) |
| Utarbeidelse av mal | Mikrobølgevurdering / tid | 500-600 W / 3-5 min |
| Interkalering | Masseforhold mellom forløper og mal | 1:(3-4) |
| Interkalering | Vakuum / dispersjonstid | 5-10 MPa / 10-20 min ved 800-1000 rpm |
| Vekstreaksjon | Temperatur / tid / argonstrøm | 800-1000 grader C / 3-8 t / 80-100 ml per min |
| Rensing | Salpetersyrestyrke | 30-50 vekt%, vask deretter til nøytral |
Ovnspraksis og energiintensiteten til råstoffet
Elektrisk-ovnsreduksjon er den eneste ruten som brukes for industriell kalsiumkarbidproduksjon. Smeltet karbid strømmer fra bunnen av reaksjonsovnen inn i en mottakstank og avkjøles til et fast produkt som deretter knuses og siktes. Operasjonen er en høy-temperatur- og støvintensiv prosess-. På 1980-tallet forbrukte produksjonen av ett tonn industrielt kalsiumkarbid 10 til 11 GJ elektrisk energi; lukkede ovner med stor-kapasitet foretrekkes nå fordi de reduserer varmetapet og gjør karbonmonoksidbiproduktet{10}}utvinnbart som brensel eller som et kjemisk råmateriale i stedet for å fakle det.
Kvalitetsparametere som skal spesifiseres for grafenproduktet
Tre akseptverdier styrer den kommersielle verdien av produksjonen: lagtykkelse, sideflakstørrelse og gjenværende uorganisk innhold. En lagtykkelse på 2 nm eller mindre må bekreftes ved mikroskopi og ved hjelp av det tilsvarende to-materialevokabularet, og leverandørsertifikatet alene er ikke tilstrekkelig bevis. Gjenværende katalysator- og leirester kontrolleres av salpetersyrebehandlingen og av nøytraliseringsvasken, så syrestyrke, behandlingsvarighet og vaskeendepunkt bør alle vises i batchprotokollen. ISO/TS 80004-13 definerer grafen og relaterte todimensjonale materialer og gir terminologien som vanligvis brukes når disse verdiene skrives inn i en kjøpsspesifikasjon.
Emballasje, lagring og sikkerhet
Kalsiumkarbid må holdes tørt og borte fra vann, fordi kontakt med fuktighet genererer acetylen, en brennbar gass. Forseglede stålfat i størrelsene 50 kg og 100 kg er den vanlige eksportemballasjen, og grove klumper på 50-80 mm foretrekkes for eksport fordi de overlever håndtering med mindre dannelse av finstoff. En trommel eller pose som har tatt opp fuktighet bør aldri åpnes i et lukket rom uten ventilasjon. På grafensiden bør tørkingen fullføres før pakking: fuktighet adsorbert på en-overflate med- karbonpulver fremmer re-agglomerering og endrer den målte partikkelstørrelsesfordelingen.
Ofte stilte spørsmål
Q:Hva er fordelen med kalsiumkarbid fremfor grafitt som en grafenkarbonkilde?
Svar: Karbonryggraden er allerede tilstede som en reaktiv to-karbonenhet, så prosessen unngår grafittrensing og hydrokarbonkrakkingsstadier som forbruker ekstra energi og kapital.
Q:Hvilket masseforhold mellom kalsiumkarbid og overflateaktivt middel brukes i forløperstadiet?
A: 50:(3-6), blandet i lukket røreverk ved 60-100 grader C og 80-120 rpm i 5-10 minutter.
Q:Hvorfor vaskes rektoritten med etanol før mikrobølgetrinnet?
A: Etanol fjerner adsorbert vann, og gjenværende fuktighet vil konkurrere med karbonforløperen når den trekkes inn i mellomlagsgalleriene under vakuuminterkalering.
Q:Hvilket vakuumnivå og blandehastighet brukes i dispergeringsmikseren?
A: 800-1000 rpm med et vakuum på 5-10 MPa i 10-20 minutter ved en kontrollert temperatur på 60-80 grader C.
Q:Hva er vekstbetingelsene inne i den tørre reaktoren?
A: 800-1000 grader C i 3-8 timer under argon ved 80-100 ml per minutt, etterfulgt av naturlig avkjøling til ca. 20 grader C.
Q:Hvordan fjernes rektorittmalen etter vekst?
A: Med 30-50% salpetersyre etter masse, hvoretter produktet vaskes med alkaliløsning til nøytralitet og tørkes til det endelige grafenpulveret.