يمكن إنتاج الأنابيب النانوية الكربونية (CNTs) من خلال عدة طرق، حيث أن ترسيب البخار الكيميائي (CVD) هو الأكثر انتشارًا في التطبيقات التجارية. وتشمل الطرق الأخرى الاستئصال بالليزر، والتفريغ القوسي، والتقنيات الناشئة التي تستخدم المواد الأولية الخضراء أو النفايات.
ملخص الطرق:
- الترسيب الكيميائي للبخار (CVD): تتضمن هذه الطريقة تحلل الغازات الهيدروكربونية على محفز معدني في درجات حرارة عالية، مما يؤدي إلى نمو النيتروز ثلاثي النيتروز. وهي طريقة قابلة للتطوير والتحكم بدرجة كبيرة، مما يجعلها مناسبة للإنتاج التجاري.
- الاستئصال بالليزر: تستخدم هذه التقنية الليزر لتبخير هدف كربوني، يحتوي عادةً على محفز معدني، في غرفة ذات درجة حرارة عالية. يتكثف البخار لتكوين نترات CNTs. وهي أقل شيوعًا في البيئات التجارية نظرًا لاستهلاكها العالي للطاقة وانخفاض العائد.
- تفريغ القوس الكهربائي: في هذه الطريقة، يتم تمرير تيار مباشر من خلال قطبين من الجرافيت في غرفة مملوءة بغاز خامل. وتؤدي الحرارة الشديدة من القوس إلى تبخير الأنود، وتتكون النتريدات ثلاثية الأبعاد من البخار. ومن المعروف أن هذه الطريقة معروفة بإنتاج ألياف CNTs عالية الجودة ولكنها أقل قابلية للتحكم والتوسع.
- الطرق الناشئة باستخدام المواد الأولية الخضراء أو النفايات: وتشمل هذه الطرق عمليات مثل التحليل الكهربائي لثاني أكسيد الكربون في الأملاح المنصهرة والتحلل الحراري للميثان. وتهدف هذه الطرق إلى الاستفادة من غازات النفايات أو الموارد المتجددة لإنتاج النيتروز النفثالينات المدمجة مما يقلل من التأثير البيئي. ومع ذلك، غالبًا ما تكون جودة النيتروز النفثالينات المكلورة التي تنتجها هذه الطرق أقل جودة مقارنةً بتلك التي تنتجها الطرق التقليدية.
شرح تفصيلي:
- الترسيب الكيميائي للبخار (CVD): تنطوي عملية الترسيب الكيميائي بالترسيب الكيميائي على استخدام محفزات معدنية (مثل الحديد أو الكوبالت أو النيكل) المودعة على ركيزة. يتم إدخال الغازات الهيدروكربونية مثل الميثان أو الإيثيلين في غرفة التفاعل ويتم تسخينها إلى درجات حرارة تتراوح عادةً بين 500 درجة مئوية و1000 درجة مئوية. تتحلل الغازات على سطح المحفز، وتترسب ذرات الكربون مكونةً بذلك أنابيب ثلاثية الأبعاد. وتسمح هذه الطريقة بالتحكم الدقيق في بنية CNT واتجاهها، مما يجعلها مثالية لمختلف التطبيقات.
- الاستئصال بالليزر: هذه الطريقة أكثر ملاءمة للإعدادات المختبرية بسبب تعقيدها ومتطلباتها العالية من الطاقة. وتتضمن هذه العملية شعاع ليزر نابض يركز على هدف من الجرافيت يحتوي على محفز معدني. وتؤدي نبضات الليزر عالية الطاقة إلى تبخير الهدف، ويتكثف البخار إلى ثلاثي النيتروز ثلاثي الأبعاد. ويمكن أن تنتج هذه الطريقة نواقل CNTs أحادية الجدار عالية الجودة ولكنها غير مجدية اقتصاديًا للإنتاج على نطاق واسع.
- تفريغ القوس الكهربائي: هذه التقنية هي واحدة من أقدم طرق إنتاج النيتروز النفثالينات المدمجة. وتتضمن إنشاء قوس كهربائي بين قطبين من الجرافيت في جو غازي خامل. وتؤدي الحرارة الشديدة الناتجة عن القوس إلى تبخير الأنود، وتتكون النيتروزات النفثالينات من البخار. يمكن لهذه الطريقة أن تنتج إنتاجية عالية من النيتروز النفثالينات المدمجة ولكنها تفتقر إلى التحكم وقابلية التوسع في تقنية CVD.
- الطرق الناشئة باستخدام المواد الأولية الخضراء أو النفايات: تهدف هذه الطرق إلى معالجة المخاوف البيئية باستخدام النفايات أو الموارد المتجددة. على سبيل المثال، ينطوي التحليل الكهربائي لثاني أكسيد الكربون في الأملاح المنصهرة على تمرير تيار كهربائي عبر ثاني أكسيد الكربون، والذي يمكن أن يشكل نترات ثلاثي القصدير المدمجة. ويؤدي التحليل الحراري للميثان إلى تحلل الميثان إلى هيدروجين وكربون صلب، والذي يمكن أن يشمل النانو تيرفثالات CNTs. وتعد هذه الطرق واعدة ولكنها لا تزال تواجه تحديات من حيث جودة CNT وكفاءة العملية.
المراجعة والتصحيح:
المعلومات المقدمة دقيقة وتتماشى مع المعرفة الحالية حول طرق إنتاج CNT. كل طريقة لها مزاياها وقيودها، ويعتمد اختيار الطريقة على المتطلبات المحددة للتطبيق، بما في ذلك الحجم والجودة والأثر البيئي.
