Zakaj je kalcijev karbid praktičen vir ogljika
Kalcijev karbid (CaC2) se proizvaja z visoko{1}}temperaturno redukcijo apna z ogljikom v električni peči in ostaja eden najcenejših-koncentriranih nosilcev ogljika, s katerimi se trguje v razsutem stanju. Njegova vrednost za proizvodnjo grafena je v reaktivnosti karbidnega iona: ogljikov skelet, potreben za dvo-dimenzionalno rast, je že sestavljen v preprosti dvo-ogljikovi enoti, tako da surovina prispe z veliko manj-dela predobdelave kot naravni grafit ali ogljikovodik, ki ju je treba najprej razbiti ali prečistiti, preden ju je mogoče uporabiti kot vir rasti.
Komercialni kalcijev karbid se razvršča predvsem glede na izkoristek acetilena in velikost kepe. Standardni velikostni razredi vključujejo 0-5 mm, 5-25 mm, 25-50 mm in 50-80 mm. Grobi razredi so običajno izbrani za kemijsko sintezo, ker med shranjevanjem in transportom izpostavijo manj površine vlagi iz okolja, zato se zaradi prezgodnje hidrolize izgubi manj materiala, preden doseže reaktor.
Pet{0}}pripravljalna pot za dvo{1}}dimenzionalni grafen
Prvi korak tvori predhodnik vira ogljika. Kalcijev karbid in površinsko aktivno snov napolnimo v zaprto mešalo v masnem razmerju 50:(3-6). Posodo vzdržujemo pri 60-100 stopinjah C in mešamo pri 80-120 obratih na minuto 5-10 minut. Zmerna temperatura in nizek strig se uporabljajo namerno, ker bi lokalno pregrevanje razgradilo površinsko aktivno snov, preden bi lahko stabilizirala razpršeni karbid.
Drugi korak sestavi predlogo. Rektorit najprej speremo z etanolom in nato združimo s katalizatorjem v masnem razmerju rektorita-proti-katalizatorju 8:(0,1-0,3). Mešanico obdelamo v mikrovalovni enoti z nazivno močjo 500-600 W 3-5 minut, da dobimo katalizatorsko šablono na rektoritu. Pranje z etanolom je kontrolna točka in ne korak čiščenja: adsorbirana voda v glini tekmuje s prekurzorjem ogljika med interkalacijo in zmanjšuje enotnost polnila vmesnega sloja.
Tretji korak je stopnja interkalacije. Predhodnik iz prvega koraka in naložena predloga iz drugega koraka se napolnita v zaprt disperzijski mešalnik v masnem razmerju 1:(3-4). Mešalnik se vzdržuje pri 60-80 stopinjah C in deluje pri 800-1000 obratih na minuto, medtem ko se za 10-20 minut uporablja vakuum 5-10 MPa, tako da se prekurzor vleče in zadrži v galerijah vmesnega sloja rektorita. Izdelek je predhodnik vira ogljika z vmesnim slojem rektorita.
Četrti korak je stopnja rasti. Interkalirani prekurzor se postavi v zaprt suh reaktor, doda se mešana kislina in reaktor segreje na 800-1000 stopinj C pod tokom argona 80-100 ml/min. Reakcijski čas je 3–8 ur, po katerem se naboj naravno ohladi na približno 20 stopinj C. Rektoritno ogrodje se nato odstrani s 30–50 % dušikove kisline po masi, da ostane primarni produkt grafena.
Peti korak čisti izdelek. Primarni produkt se izpira z raztopino alkalije, dokler ni izpiralna tekočina nevtralna, nato pa se posuši. Rezultat je dvodimenzionalni-grafen velike -velikosti s plastjo debeline 2 nm ali manj, kar ustreza majhnemu številu naloženih ogljikovih plasti.
| Faza postopka | Ključni parameter | Nastavitev |
|---|---|---|
| Tvorba predhodnika | Razmerje mase CaC2 in površinsko aktivne snovi | 50:(3-6) |
| Tvorba predhodnika | Temperatura / mešanje | 60-100 stopinj C / 80-120 vrt / min / 5-10 min |
| Priprava predloge | Masno razmerje rektorita in katalizatorja | 8:(0.1-0.3) |
| Priprava predloge | Ocena/čas mikrovalovne pečice | 500-600 W / 3-5 min |
| Interkalacija | Masno razmerje predhodnika in predloge | 1:(3-4) |
| Interkalacija | Čas vakuuma / disperzije | 5-10 MPa / 10-20 min pri 800-1000 rpm |
| Reakcija rasti | Temperatura / čas / pretok argona | 800-1000 stopinj C / 3-8 h / 80-100 ml na minuto |
| Očiščenje | Jakost dušikove kisline | 30-50 % mase, nato sperite do nevtralnega |
Delovanje peči in energetska intenzivnost surovine
Redukcija v-električni peči je edina pot, ki se uporablja za industrijsko proizvodnjo kalcijevega karbida. Staljeni karbid teče z dna reakcijske peči v sprejemni rezervoar in se ohladi v trden produkt, ki se nato zdrobi in preseje. Postopek je visoko-temperaturni in-prašno intenziven postopek. V osemdesetih letih je bilo za proizvodnjo ene tone industrijskega kalcijevega karbida porabljeno 10 do 11 GJ električne energije; zaprte peči z veliko-zmogljivostjo so zdaj prednostne, ker zmanjšajo izgubo toplote in omogočijo, da se stranski produkt ogljikovega monoksida-rekuperira kot gorivo ali kot kemična surovina, namesto da bi ga sežigali.
Parametri kakovosti, ki jih je treba določiti za izdelek iz grafena
Tri sprejemljive vrednosti nadzorujejo komercialno vrednost izhoda: debelina plasti, stranska velikost kosmičev in preostala anorganska vsebnost. Debelina plasti 2 nm ali manj mora biti potrjena z mikroskopijo in z ustreznim dvo-dimenzionalnim besednjakom materiala, samo potrdilo dobavitelja pa ni zadosten dokaz. Preostali katalizator in ostanki gline so nadzorovani z obdelavo z dušikovo kislino in nevtralizacijskim pranjem, zato morajo biti jakost kisline, trajanje obdelave in končna točka pranja prikazani v zapisu serije. ISO/TS 80004-13 opredeljuje grafen in sorodne dvodimenzionalne materiale ter zagotavlja terminologijo, ki se običajno uporablja, ko so te vrednosti zapisane v nabavni specifikaciji.
Embalaža, skladiščenje in varnost
Kalcijev karbid je treba hraniti na suhem in stran od vode, ker v stiku z vlago nastaja acetilen, vnetljiv plin. Zaprti jekleni sodi velikosti 50 kg in 100 kg so običajna izvozna embalaža, za izvoz pa so prednostne grobe kepe velikosti 50-80 mm, ker preživijo ravnanje z manj drobnih delcev. Soda ali vreče, ki je navzela vlage, nikoli ne odpirajte v zaprtem prostoru brez prezračevanja. Na strani grafena je treba pred pakiranjem zaključiti sušenje: vlaga, adsorbirana na visoki-površinski-ogljikov prah, spodbuja ponovno-aglomeracijo in spremeni izmerjeno porazdelitev velikosti delcev.
Pogosto zastavljena vprašanja
Q:Kakšna je prednost kalcijevega karbida pred grafitom kot virom grafenskega ogljika?
O: Hrbtenica ogljika je že prisotna kot reaktivna dvo{0}}ogljična enota, zato se postopek izogne stopnjam čiščenja grafita in krekiranja ogljikovodikov, ki porabita dodatno energijo in kapital.
Q:Kakšno masno razmerje med kalcijevim karbidom in površinsko aktivno snovjo se uporablja v predhodni fazi?
A: 50:(3-6), mešati v zaprtem mešalniku pri 60-100 stopinjah C in 80-120 obratih na minuto 5-10 minut.
Q:Zakaj se rektorit pred korakom v mikrovalovni pečici spere z etanolom?
O: Etanol odstrani adsorbirano vodo, preostala vlaga pa bi tekmovala s prekurzorjem ogljika, ko se med vakuumsko interkalacijo vleče v galerije vmesnih plasti.
Q:Kakšna stopnja vakuuma in kakšna hitrost mešanja se uporabljata v disperzijskem mešalniku?
A: 800-1000 vrt/min z vakuumom 5-10 MPa 10-20 minut pri kontrolirani temperaturi 60-80 stopinj C.
Q:Kakšni so pogoji rasti v suhem reaktorju?
O: 800-1000 stopinj C za 3-8 ur pod argonom pri 80-100 ml na minuto, čemur sledi naravno hlajenje na približno 20 stopinj C.
Q:Kako se rektoritna šablona odstrani po narastku?
A: Z 30-50 % dušikove kisline glede na maso, nato pa izdelek speremo z raztopino alkalije do nevtralnosti in posušimo do končnega grafenskega prahu.