Varför kalciumkarbid är en praktisk kolkälla
Kalciumkarbid (CaC2) tillverkas genom hög-temperaturreduktion av kalk med kol i en elektrisk ugn, och det är fortfarande en av de lägsta-koncentrerade kolbärarna som handlas i bulktonnage. Dess värde för grafenproduktion ligger i karbidjonens reaktivitet: kolskelettet som behövs för två-dimensionell tillväxt är redan samlat i en enkel två-kolenhet, så råmaterialet anländer med mycket mindre för-förbehandlingsarbete än naturlig grafit eller kolvätegas, som båda först måste användas som en källa innan de kan sprickas.
Kommersiell kalciumkarbid graderas huvudsakligen efter acetylenutbyte och efter klumpstorlek. Standardstorleksklasser inkluderar 0-5 mm, 5-25 mm, 25-50 mm och 50-80 mm. De grova klasserna väljs normalt för kemisk syntes eftersom de exponerar mindre ytarea för omgivande fukt under lagring och transport, så att mindre material går förlorat vid för tidig hydrolys innan det når reaktorn.
Fem-förberedelseväg för två-grafen
Steg ett bildar kolkällans prekursor. Kalciumkarbid och ett ytaktivt ämne satsas i en sluten omrörare vid ett massförhållande av 50:(3-6). Kärlet hålls vid 60-100 grader C och rörs om vid 80-120 rpm i 5-10 minuter. Måttlig temperatur och låg skjuvning används medvetet, eftersom lokal överhettning skulle sönderdela det ytaktiva ämnet innan det kan stabilisera den dispergerade karbiden.
Steg två bygger mallen. Rectorite tvättas först med etanol och kombineras sedan med en katalysator vid ett massförhållande mellan rektorit-till-katalysator av 8:(0,1-0,3). Blandningen behandlas i en mikrovågsenhet märkt 500-600 W under 3-5 minuter för att ge en rektoritstödd katalysatormall. Etanoltvätt är en kontrollpunkt snarare än ett rengöringssteg: adsorberat vatten i leran konkurrerar med kolprekursorn under interkalering och minskar jämnheten i mellanskiktsfyllningen.
Steg tre är interkalationssteget. Prekursorn från steg ett och den laddade mallen från steg två laddas i en sluten dispergeringsblandare i ett massförhållande av 1:(3-4). Blandaren hålls vid 60-80 grader C och körs med 800-1000 rpm medan ett vakuum på 5-10 MPa appliceras i 10-20 minuter, så att prekursorn dras in i och hålls kvar inuti rectorite-mellanskiktsgallerierna. Produkten är en prekursor av kolkälla mellan rektorit och mellanskikt.
Steg fyra är tillväxtstadiet. Den interkalerade prekursorn placeras i en sluten torr reaktor, en blandad syra tillsätts och reaktorn upphettas till 800-1000 grader C under ett argonflöde av 80-100 ml/min. Reaktionstiden är 3-8 timmar, varefter laddningen svalnar naturligt till cirka 20 grader C. Rektoritskelettet avlägsnas sedan med 30-50 viktprocent salpetersyra för att lämna en primärprodukt av grafen.
Steg fem renar produkten. Den primära produkten tvättas med alkalilösning tills tvättvätskan är neutral och torkas sedan. Utdatat är tvådimensionellt grafen i stor-storlek med en lagertjocklek på 2 nm eller mindre, vilket motsvarar ett litet antal staplade kollager.
| Processstadiet | Nyckelparameter | Miljö |
|---|---|---|
| Prekursorbildning | Massförhållande CaC2 till ytaktivt ämne | 50:(3-6) |
| Prekursorbildning | Temperatur / omrörning | 60-100 grader C / 80-120 rpm / 5-10 min |
| Förberedelse av mall | Massförhållande mellan rektorit och katalysator | 8:(0.1-0.3) |
| Förberedelse av mall | Mikrovågsklass / tid | 500-600 W / 3-5 min |
| Interkalering | Massförhållande mellan föregångare och mall | 1:(3-4) |
| Interkalering | Vakuum / dispersionstid | 5-10 MPa / 10-20 min vid 800-1000 rpm |
| Tillväxtreaktion | Temperatur / tid / argonflöde | 800-1000 grader C / 3-8 h / 80-100 ml per min |
| Rening | Salpetersyrastyrka | 30-50 viktprocent, tvätta sedan till neutral |
Ugnspraxis och råvarans energiintensitet
Elektrisk-ugnsreduktion är den enda vägen som används för industriell produktion av kalciumkarbid. Smält karbid strömmar från botten av reaktionsugnen in i en mottagningstank och kyls till en fast produkt som därefter krossas och siktas. Operationen är en hög-temperatur, damm-intensiv process. På 1980-talet förbrukade ett ton industriell kalciumkarbid 10 till 11 GJ elektrisk energi; slutna ugnar med stor-kapacitet är nu att föredra eftersom de minskar värmeförlusten och gör{10}}biprodukten av kolmonoxid utvinningsbar som bränsle eller som kemisk råvara snarare än att förbränna den.
Kvalitetsparametrar att specificera för grafenprodukten
Tre acceptansvärden styr det kommersiella värdet av resultatet: lagertjocklek, lateral flingstorlek och resterande oorganiskt innehåll. En lagertjocklek på 2 nm eller mindre måste bekräftas med mikroskopi och med motsvarande två-dimensionella materialordförråd, och endast leverantörscertifikatet är inte tillräckligt bevis. Kvarvarande katalysator- och lerrester kontrolleras av salpetersyrabehandlingen och av neutraliseringstvättningen, så syrastyrka, behandlingslängd och tvättändpunkt bör alla visas i batchregistret. ISO/TS 80004-13 definierar grafen och relaterade tvådimensionella material och tillhandahåller den terminologi som normalt används när dessa värden skrivs in i en köpspecifikation.
Förpackning, förvaring och säkerhet
Kalciumkarbid måste hållas torrt och borta från vatten, eftersom kontakt med fukt genererar acetylen, en brandfarlig gas. Förseglade stålfat i storlekarna 50 kg och 100 kg är de vanliga exportförpackningarna, och grova klumpar på 50-80 mm är att föredra för export eftersom de överlever hantering med mindre finbildning. En trumma eller påse som har tagit upp fukt ska aldrig öppnas i ett slutet utrymme utan ventilation. På grafensidan bör torkning slutföras innan packning: fukt adsorberad på en-yta-kolpulver främjar åter-agglomerering och ändrar den uppmätta partikelstorleksfördelningen.
Vanliga frågor
Q:Vad är fördelen med kalciumkarbid framför grafit som en grafenkolkälla?
S: Kolstommen finns redan som en reaktiv två-kolenhet, så processen undviker grafitrenings- och kolvätekrackningsstegen som förbrukar ytterligare energi och kapital.
Q:Vilket massförhållande mellan kalciumkarbid och ytaktivt ämne används i prekursorstadiet?
A: 50:(3-6), blandad i en sluten omrörare vid 60-100 grader C och 80-120 rpm i 5-10 minuter.
Q:Varför tvättas rektoriten med etanol innan mikrovågssteget?
S: Etanol tar bort adsorberat vatten, och kvarvarande fukt skulle konkurrera med kolprekursorn när den dras in i mellanskiktsgallerierna under vakuuminterkalering.
Q:Vilken vakuumnivå och blandningshastighet används i dispergeringsblandaren?
A: 800-1000 rpm med ett vakuum på 5-10 MPa i 10-20 minuter vid en kontrollerad temperatur på 60-80 grader C.
Q:Vilka är tillväxtförhållandena inuti den torra reaktorn?
A: 800-1000 grader C i 3-8 timmar under argon vid 80-100 ml per minut, följt av naturlig kylning till ca 20 grader C.
Q:Hur tas rektoritmallen bort efter tillväxt?
S: Med 30-50 viktprocent salpetersyra, varefter produkten tvättas med alkalilösning till neutralitet och torkas till det slutliga grafenpulvret.