RO131267A2 - Dispozitiv de procesare a precursorilor gazoşi şi solizi pentru obţinerea de nanotuburi carbonice de productivitate mare, utilizând un laser cw cu co - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un dispozitiv de procesare a precursorilor gazoşi şi solizi, pentru obţinerea de nanotuburi carbonice, cu aplicaţii în diferite domenii ale ştiinţei şi tehnicii. Dispozitivul conform invenţiei este alcătuit dintr-un sistem de alimentare cu diferite gaze, şi dintr-un sistem de alimentare cu diferite nanostructuri carbonice, dopate cu catalizatori, şi cuprinde un ansamblu (1) termocuplu, care monitorizează temperatura direct în fluxul de fluid, o interfaţă (2) cu instalaţia de sinteză, care este personalizată pentru fiecare caz în parte, o cale (3) de circulaţie a fluidului, o izolaţie (4) termică din ceramică, un dispozitiv (5) de încălzire în două trepte, cu temperatura maximă de 1200°C, o altă izolaţie (6) ceramică externă, termorezistentă, precum şi o izolaţie (7) termică de capăt, o interfaţă (8) electrică şi mecanică, o unitate (9) de control proces, care include sistemele de alimentare cu precursori, inclusiv precursori solizi, şi controlul parametrilor, o instalaţie (10) de piroliză şi o izolaţie (11) termică de protecţie.

Description

Invenția face parte din domeniul tehnic ai nanotehnologiilor, prelucrarea si manipularea materiei la scara atomica/moleculara. Definirea nanomaterialelor sub aspect dimensional se poate face convențional ca fiind materiale care au cel puțin una din dimensiune in limitele de 0,1-100 (500) nm. Invenția are in vedere elaborarea materiei prime pentru sinteza, urmărind realizarea nanomateriale sub forma de nanotuburi pentru aplicații in diferite domenii ale stiintei si tehnicii. Alte domenii de aplicații sunt mediul, energia (reducerea consumului, creșterea randamentului, stocarea energiei electrice), informatica si comunicare (semiconductoare, Display-uri, dispozitive opto-electronice), industria, etc. In medicina aplicațiile tintesc imagistica medicala, diagnosticarea, medicamentele, ingineria celulelor, etc. Sinteză controlată de nanotuburi in cantitati comerciale prezintă oportunități imense în nanostiinta si nanotehnologie si respectiv in industrie datorita proprietăților electrice, mecanice, electromecanice, datorita funcționalizarii chimice, chimie de suprafața, fotochimie, senzori moleculari, precum și interfațare cu sisteme biologice noi.

STADIUL TEHNICII

Principalele metode de obținere a nanostructurilor de tipul nanotuburi lor (NT) sunt: prin descărcarea electrica intre electrozi de grafit realizate prin sinterizare cu dopantî metalici (Ni, Co. etc.), depunerea chimica prin vaporizare (CVD), prin ablatie cu laser pulsat sau CW, prin depunerea chimica prin vaporizare asistata cu laser (LCVD) si altele. Procesarea termica este realizata prin metode diferite la temperaturi variate 700-1200 C°.^1,2,3 Presiunile de lucru sunt in general subatmosferice, utilizând precursori gazosi sau tinte de grafit dopați cu Ni, Co,

OSIM-ΧΧΧΧ- 12Ί4- DESCRIEREA INVENTIEÎ-RO / 5 λ- 2 0 11 - - 9 B 9 4 6

3 “12- 20« etc.⁴ In unele cazuri se utilizează si efectul unui câmp electromagnetic de excitație pentru a stimula creșterea de nanotuburî pe suprafața substratului.^{5, 6} Efectul termic este foarte important si se incearca utilizarea in diferite puncte de formare a NT aplicarea a diferite trepte in mod controlat.⁷' ⁸ Cert este ca metodele sunt foarte variate si inca nu prezintă metode, tehnologii de fabricație care sa asigure condițiile unei utilizări comerciale.^{9 10}

Referințe

1. Dai, H. Carbon Nanotubes: Synthesis, Integration, and Properties. Acc. Chem, Res. 2002, 35, 1035-1044

2. A.A. Puretzky, D.B. Geohegan, X. Fan, S.J. Pennycook: Appl. Phys. A 70, 153-160 (2000) / Digital Object Identifier (DOI) 10.1007/s003390000257

3. Pakniat Razieh and Zandi Mohammad Hossein: Fabrication of Vacuum Chamber and Synthesis of Nanotubes, A Theorical Investigation of Exciton-Photon Interaction in the Nanotubes. Int. J. Electrochem. Sci., 7 (2012) 1118-1124

4. S.N. Bondi, W.J. Lackey, R.W. Johnson, X. Wang, Z.L, Wang: Laser assisted Chemical vapor deposition synthesis of carbon nanotubes and their characterization, Carbon 44 (2006) 1393-1403

5. 5. D. Lupu, A.R. Biriș, I. Mișan, G. Mihăilescu, L. Olenic, S. Pruneanu, A. Jianu, C. Bunescu, A. Weidenkaff, C. Diecker: Synthesis of carbon nanostructures by induction heating assisted ccvd method,

6. B. D. Sosnowchik, L. Lin, O. Englander Localized heating induced Chemical vapor deposition for one-dimensional nanostructure synthesis, Appl. Phys. 107, 051101 (2010)

7. Markku Rajala, Pekka Soininen, Anssi Hovinen, Jari Sinkko, Device and method for producing nanotubes, US 8,475,760 B2, Jul. 2, 2013

8. David Moy, Asif Chishti, Process for producing single wall nanotubes using unsupported metal catalysts and single wall nanotubes produced according tothis method, US 7,097,821 B1, Aug, 29, 2006

9. Kalty Vazquez Synthesis of carbon nanotubes using high voltage and high frequency induction field, Florida International University-2013

10. Alan M. Cassell, Jeffrey A. Raymakers, Jing Kong, and Hongjie Dai Large Scale CVD Synthesis of Single-Walled Carbon Nanotubes, J. Phys. Chem. B 1999, 103, 6484-6492

PREZENTAREA PROBLEMEI TEHNICE PE CARE

INVENȚIA O REZOLVA

-2OSIM-XXXX-12'14- DESCRIEREA INVENTIEI-RO / 5

V £2014-- 009460 3 -12- 2014

Dispozitivul de procesare precursori gazosi si solizi de mare productivitate pentru instalații cu laser cw cu CO2 de nanotuburi carbonice rezolva problema procesării precursorilor in doua faze distincte ca donor de carbon. Asigura combinarea a doua metode de obținere de nanotuburi: cea de ablatie cu tunel de creștere a NT, care nu este productiva datorita modului de obținere a particulelor de carbon, prin ablatie cu laser din tinte de grafit cu catalizatori metalici. Una din probleme care este rezolvata este si faptul încălzirii tintei. Datorita faptului ca ablatia se face la o temperatura mare, de un fascicul laser focalizat la o densitate de putere apreciabila, căldură datorita energiei cedate de fascicul se consuma in mare parte pentru Încălzirea tintei si o parte este expulzat de jetul de plasma care ia naștere. Căldură preluta de tinta se acumulează limitând durata procesului. Dispozitivul asigura alimentarea procesului de sinteza:- numai cu gaz neutru de transport la o temperatura stabila si precis controlata; - cu un mix de gaze care sa conțină si un gaz donor de carbon C2H2, C2H4, etc.; - cu nanostructuri carbonice si particule de catalizatori transportat de gaze din primele doua variante. Temperatura de alimentare este de 500-1200 C° foarte bine controlata, cu asigurarea unor trepte de încălzire.

EXPUNEREA INVENȚIEI

Dispozitivul reprezintă sistemul de preprocesare a precursorilor intr-o instalație de sinteza de NT cu laser cu CW (unda continua). Conferă unei instalații de sinteza de nanotuburi cu ablatie si cu tunel de creștere o mare universalitate cu productivitate mărită. Este compusa atat dintr-un sistem de alimentare cu diferite gaze cat si dintr-un sistem de alimentare cu diferite nanostructuri carbonice dopați cu catalizatori, cu control masic. Sistemul de alimentare trece fluidul de procesat printr-un încălzitor de mare performanta cu de pana la 1200 C° cu sistem de control a temperaturii cu mare precizie si in etape. Dispozitivul este conectat la sistemul de vidare a instalației. Dispozitivul asigura atat etanșeitatea fata de o suprapresiune de pana la 10 bar cat si la un vid preliminar de 10-^Λ2 bar. Este asigurata interfața mecanica si instrumentala cu sistemul de utilizare, instalația de sinteza de NT. In mod special este asigurata sistemul de izolare termica care inafara de pierdere energetica provoacă si neomogenitate in fluidul procesat. Exista posibilitatea de scalare, in care caz parametri de proces trebuie sa fie armonizate cu infrastructura dispozitivului. Unitatea de control este performant: asigura controlul tuturor parametrilor importanți cum ar fi: debite solide si gazoase, viteza de curgere, temperatura sursei de căldură in cele doua

-3OSIM-XXXX-12'14- DESCRIEREA INVENTIEI-RO 4 / 5 η

C\- 2 0 1 4 - - Β B 3 H - f

3 -12- 20H trepte, temperatura fluxului in zona de sinteza, presiuni, etc. exista pentru controlul temperaturii de sinteza si o bucla de reacție.

PREZENTAREA AVANTAJELOR INVENȚIEI IN RAPORT CU STADIUL TEHNICII

Dispozitivul prezintă o noutate in raport eu stadiul tehnicii prin faptul ca pentru prima data se utilizează un precursor preprocesat. Precursorul, deja este la o scara nanometrică, este realizat prin sinteza eu laser intr-o faza separata si este alimentat prin acest dispozitiv pentru a fi transformata in NT. Acest lucru este posibil sintetizării unor cunoștințe in domeniul sintezei cu piroliza laser de nanostructuri si in domeniul procesărilor cu laser. Se deschide calea spre o aplicație industriala a acestui gen de sinteza de NT. Elimina principalul neajuns a sintezelor prin: - descărcarea electrica intre electrozi de grafit realizate prin sinterizare cu dopanti metalici (Ni, Co, etc.); - depunerea chimica prin vaporizare (CVD); - prin ablatie cu laser pulsat sau CW; - prin depunerea chimica prin vaporizare asistata eu laser (LCVD) si altele si anume productivitatea foarte mica care face ca sa nu fie fezabile pentru aplicații industriale. Un avantaj pe care o are dispozitivul de procesare precursori gazosi si solizi de mare productivitate pentru instalații de sinteza cu laser cw cu CO2 de nanotuburi carbonice este universalitatea: acopera o larga banda de sinteze cuprinzând cele cu adaos de precursor solid sau gazos. Pune in avantaj si transferul energetic fascicul laser-materiale solide care este foarte intens mai ales ia cazul transferului către nanostructuri pe baza de carbon care are temperatura de sublimare peste 2600 C°.

PREZENTAREA FICUIULOR DIN DESENE

FIG. 1 Reprezintă ansamblul dispozitivului de procesare precursori gazosi si solizi de mare productivitate pentru instalații cu laser cw cu co2 de nanotuburi carbonice, unde ροζ. 1 reprezintă ansamblul temocuplu care monitorizează temperatura direct in fluxul de fluid, care este determinant pentru proces; poz. 2 este interfața cu instalația de sinteza sî este personalizata pentru fiecare caz în parte; poz. 3 este calea de circulație a fluidului: poz. 4 este o izolație termica din ceramica: poz. 5 este dispozitivul de încălzire in doua trepte cu temperatura maxima de 1200 C°; poz. 6 izolația ceramica externa termorezistenta; poz. 7 izolație termica de capat; poz. 8 interfața electrica si mecanica; poz. 9 unitatea de control proces, care include sistemele de alimentare precursori inclusiv eu precursori solizi si

-4£3

OSIM-XXXX-12’14- DESCRIEREA INVENTIEI-RO a - 2 0 Π- - 0 0 8 4 6^V 0 3 -12- 2914 controlul parametrilor; poz. 10 instalația de piroliză utilizatoare; poz. 11 izolația termica de protecție biologica.

PREZENTAREA IN DETALIU A UNUI MOD DE REALIZARE CU REFERIRE LA DESENE

Modul de realizare industriala este dependenta de marimea scalarii a instalației. Realizarea este dependenta de instalația de sinteza la care se ataseaza. Avand in vedere temperaturile ridicate de lucru sunt determinante calitatile refractare a materialelor utilizate. Materialele metalice utilizate sunt din otel inox datorita si faptului ea in felul acesta este asigurat si puritatea materialelor procesate atat precursoare cat si finale. Realizare presupune etansari care satisfac cerințe privind presiunile subatmosferice si presiunile pozitive pana la 10 bar. Construcția si procesarea presupune satisfacerea tuturor normelor de protecție referitoare la sistemele de vid, manipularea nanomaterialelor, substanțele toxice si periculoase, lucrul la temperaturi înalte. In laza actuala a dezvoltării tehnicii si tehnologiei este necesar o abordare personalizata, particularizata pentru fiecare caz in parte. Scalarea industriala presupune cunoștințe interdisciplinare.

MODUL IN CARE SE POATE APLICA INDUSTRIAL

Aplicația industrial presupune in primul rând oferirea caracteristicilor comerciale necesare: cantitate, reproductibilitate, si in primul rând cerințele pietii. Este necesara asistenta tehnica interdisciplinara. Realizarea este relativ ușoara din punct de vedere a tehnologiei si a costurilor. Presupune construirea unei instukmi de sinteza cu laser sau existenta uneia existenta la care sa fie adaptat.

- aOSIM-XXXX-12'14-REVEND!CARE-RO /2 £\ 2 O Π - - 009460 3 -12- 23«

Claims (11)

1. REVENDICARE

   Este revendicata dispozitivul de procesare precursori gazosi si solizi de mare productivitate de NT pentru instalații cu laser cw cu CO2 de nanotuburi carbonice caracterizata prin acea ca este compusa din:

   - ροζ. 1 ansamblul temocuplu care monitorizează temperatura direct in fluxul de fluid, care este determinant pentru proces;

   - poz.
2. 2 interfața cu instalația de sinteza personalizata pentru fiecare caz in parte;

   - poz.
3. 3 calea de circulație a fluidului;

   - poz.
4. 4 izolație termica din ceramica; poz.
5. 5 dispozitivul de încălzire in doua trepte cu temperatura maxima de 1200 C°;

   - poz.
6. 6 izolația ceramica externa termorezistenta;

   - poz.
7. 7 izolație termica de capat din material ușor;

   - poz.
8. 8 interfața electrica si mecanica;

   - poz.
9. 9 unitatea de control proces, care include sihtessele de alimentare precursori inclusiv cu precursori solizi si controlul parametrilor;

   -poz.
10. 10 instalația de piroliza utilizatoare;

    - ροζ.
11. 11 izolația termica de protecție biologica.