تحضير الجرافين باستخدام كربيد الكالسيوم كمادة خام

لماذا يعتبر كربيد الكالسيوم مصدرًا عمليًا للكربون

يتم تصنيع كربيد الكالسيوم (CaC2) عن طريق خفض درجة الحرارة العالية-للجير مع الكربون في فرن كهربائي، ويظل أحد ناقلات الكربون المركزة الأقل تكلفة-التي يتم تداولها بكميات كبيرة. تكمن قيمته في إنتاج الجرافين في تفاعل أيون الكربيد: هيكل الكربون اللازم للنمو ثنائي الأبعاد-يتم تجميعه بالفعل في وحدة بسيطة من الكربون-، وبالتالي تصل المادة الخام مع أعمال معالجة مسبقة أقل بكثير-من الجرافيت الطبيعي أو غاز الهيدروكربون، وكلاهما يجب تكسيرهما أو تنقيتهما أولاً قبل أن يمكن استخدامهما كمصدر للنمو.

يتم تصنيف كربيد الكالسيوم التجاري بشكل أساسي حسب إنتاجية الأسيتيلين وحجم الكتلة. تشمل فئات الحجم القياسي 0-5 مم، 5-25 مم، 25-50 مم، 50-80 مم. يتم اختيار الطبقات الخشنة عادة للتخليق الكيميائي لأنها تعرض مساحة سطحية أقل للرطوبة المحيطة أثناء التخزين والنقل، لذلك يتم فقدان كمية أقل من المواد بسبب التحلل المائي المبكر قبل أن تصل إلى المفاعل.

خمس خطوات-مسار التحضير لاثنين من الجرافين-الأبعاد

الخطوة الأولى تشكل مقدمة مصدر الكربون. يتم شحن كربيد الكالسيوم ومادة خافضة للتوتر السطحي في محرض مغلق بنسبة كتلة 50:(3-6). يُوضع الوعاء عند درجة حرارة 60-100 درجة مئوية ويُقلب بسرعة 80-120 دورة في الدقيقة لمدة 5-10 دقائق. يتم استخدام درجة حرارة معتدلة وقص منخفض عمدًا، لأن التسخين الزائد المحلي قد يؤدي إلى تحلل المادة الخافضة للتوتر السطحي قبل أن تتمكن من تثبيت الكربيد المشتت.

الخطوة الثانية بناء القالب. يتم غسل Rectorite مع الإيثانول أولاً ثم يتم دمجه مع محفز عند نسبة كتلة المحفز - إلى - 8:(0.1-0.3). تتم معالجة المزيج في وحدة ميكروويف بقدرة 500-600 واط لمدة 3-5 دقائق لإعطاء قالب محفز مدعوم بالريكتريت. يعد غسل الإيثانول نقطة تحكم وليس خطوة تنظيف: يتنافس الماء الممتز في الطين مع سلائف الكربون أثناء الإقحام ويقلل من انتظام حشو الطبقة البينية.

الخطوة الثالثة هي مرحلة الإقحام. يتم تحميل المادة الأولية من الخطوة الأولى والقالب المحمل من الخطوة الثانية في خلاط تشتيت مغلق بنسبة كتلة تبلغ 1:(3-4). يتم تثبيت الخلاط عند درجة حرارة 60-80 درجة مئوية وتشغيله عند 800-1000 دورة في الدقيقة بينما يتم تطبيق فراغ من 5-10 ميجا باسكال لمدة 10-20 دقيقة، بحيث يتم سحب المادة الأولية والاحتفاظ بها داخل صالات عرض الطبقات البينية للريكوريت. المنتج عبارة عن سلائف لمصدر الكربون من الطبقات البينية.

الخطوة الرابعة هي مرحلة النمو. يتم وضع المادة الأولية المقحمة في مفاعل جاف مغلق، ويضاف حمض مختلط، ويتم تسخين المفاعل إلى 800-1000 درجة مئوية تحت تدفق أرجون قدره 80-100 مل/دقيقة. وقت التفاعل هو 3-8 ساعات، وبعد ذلك تبرد الشحنة بشكل طبيعي إلى حوالي 20 درجة مئوية. ثم تتم إزالة إطار الكريكت مع 30-50% من حمض النيتريك بالكتلة لترك منتج الجرافين الأساسي.

الخطوة الخامسة تنقي المنتج. يتم غسل المنتج الأساسي بمحلول قلوي حتى يصبح سائل الغسيل متعادلًا ثم يتم تجفيفه. يكون الناتج عبارة عن جرافين كبير الحجم -بحجم ثنائي-بسمك طبقة يبلغ 2 نانومتر أو أقل، وهو ما يعادل عددًا صغيرًا من طبقات الكربون المكدسة.

ممارسة الفرن وكثافة الطاقة في المواد الخام

يعتبر فرن الاختزال الكهربائي- هو الطريق الوحيد المستخدم لإنتاج كربيد الكالسيوم الصناعي. يتدفق الكربيد المنصهر من قاع فرن التفاعل إلى خزان الاستقبال ويتم تبريده إلى منتج صلب يتم سحقه وغربلته فيما بعد. العملية عبارة عن -درجة حرارة عالية، وغبار-عملية مكثفة. في الثمانينيات، كان إنتاج طن واحد من كربيد الكالسيوم الصناعي يستهلك ما بين 10 إلى 11 جيجاجول من الطاقة الكهربائية؛ يُفضل الآن استخدام الأفران المغلقة ذات السعة الكبيرة- لأنها تقلل فقدان الحرارة وتجعل أول أكسيد الكربون عن طريق-المنتج قابلاً للاسترداد كوقود أو كمادة خام كيميائية بدلاً من إحراقه.

معلمات الجودة التي يجب تحديدها لمنتج الجرافين

تتحكم ثلاث قيم قبول في القيمة التجارية للمخرجات: سماكة الطبقة وحجم الرقاقة الجانبية والمحتوى غير العضوي المتبقي. يجب تأكيد سماكة الطبقة التي تبلغ 2 نانومتر أو أقل بواسطة الفحص المجهري ومن خلال مفردات المادة ذات البعدين -المقابلة، كما أن شهادة المورد وحدها ليست دليلاً كافيًا. يتم التحكم في المحفز المتبقي وبقايا الطين عن طريق معالجة حمض النيتريك وعن طريق غسل التعادل، لذلك يجب أن تظهر قوة الحمض ومدة المعالجة ونقطة نهاية الغسيل في سجل الدُفعة. يحدد المعيار ISO/TS 80004-13 الجرافين والمواد ذات الصلة ثنائية الأبعاد ويوفر المصطلحات المستخدمة عادةً عند كتابة هذه القيم في مواصفات الشراء.

التعبئة والتغليف والتخزين والسلامة

يجب أن يبقى كربيد الكالسيوم جافًا وبعيدًا عن الماء، لأن ملامسته للرطوبة يولد الأسيتيلين، وهو غاز قابل للاشتعال. تعتبر البراميل الفولاذية المختومة بأحجام 50 كجم و100 كجم هي عبوات التصدير المعتادة، ويفضل تصدير الكتل الخشنة التي يبلغ حجمها 50-80 مم لأنها تتحمل التعامل مع توليد غرامات أقل. لا ينبغي أبدًا فتح الأسطوانة أو الكيس الذي امتص الرطوبة في مكان مغلق بدون تهوية. على جانب الجرافين، يجب إكمال عملية التجفيف قبل التعبئة: الرطوبة الممتصة على مساحة عالية من مسحوق الكربون -السطح- تعمل على تعزيز إعادة التكتل وتغيير توزيع حجم الجسيمات المقاسة.

الأسئلة المتداولة

Q:ما هي ميزة كربيد الكالسيوم على الجرافيت كمصدر للكربون الجرافين؟
ج: إن العمود الفقري للكربون موجود بالفعل كوحدة كربون -تفاعلية، وبالتالي تتجنب العملية مراحل تنقية الجرافيت وتكسير الهيدروكربون التي تستهلك طاقة ورأس مال إضافيين.

Q:ما نسبة كتلة كربيد الكالسيوم إلى المادة الخافضة للتوتر السطحي المستخدمة في المرحلة الأولية؟
ج: 50:(3-6)، تخلط في محرض مغلق عند درجة حرارة 60-100 درجة مئوية و80-120 دورة في الدقيقة لمدة 5-10 دقائق.

Q:لماذا يتم غسل المستقيم بالإيثانول قبل خطوة الميكروويف؟
ج: يزيل الإيثانول الماء الممتز، وسوف تتنافس الرطوبة المتبقية مع سلائف الكربون عندما يتم سحبها إلى صالات عرض الطبقات البينية أثناء الإقحام الفراغي.

Q:ما هو مستوى الفراغ وسرعة الخلط المستخدمة في خلاط التشتيت؟
ج: 800-1000 دورة في الدقيقة مع فراغ 5-10 ميجا باسكال لمدة 10-20 دقيقة عند درجة حرارة يمكن التحكم فيها 60-80 درجة مئوية.

Q:ما هي ظروف النمو داخل المفاعل الجاف؟
ج: 800-1000 درجة مئوية لمدة 3-8 ساعات تحت الأرجون بمعدل 80-100 مل في الدقيقة، يليه التبريد الطبيعي إلى حوالي 20 درجة مئوية.

Q:كيف تتم إزالة قالب الجامعة بعد النمو؟
ج: مع 30-50% من حمض النيتريك بالكتلة، وبعد ذلك يتم غسل المنتج بمحلول قلوي إلى الحياد وتجفيفه إلى مسحوق الجرافين النهائي.