Mengapa Kalsium Karbida Merupakan Sumber Karbon Praktis
Kalsium karbida (CaC2) diproduksi melalui pengurangan kapur dengan karbon pada suhu tinggi dalam tungku listrik, dan tetap menjadi salah satu pembawa karbon terkonsentrasi dengan biaya terendah yang diperdagangkan dalam tonase curah. Nilainya untuk produksi grafena terletak pada reaktivitas ion karbida: kerangka karbon yang diperlukan untuk pertumbuhan dua-dimensi telah dirangkai dalam unit dua-karbon sederhana, sehingga bahan bakunya membutuhkan proses pra-perlakuan yang jauh lebih sedikit dibandingkan grafit alam atau gas hidrokarbon, yang keduanya harus dipecah atau dimurnikan terlebih dahulu sebelum dapat digunakan sebagai sumber pertumbuhan.
Kalsium karbida komersial dinilai terutama berdasarkan hasil asetilena dan ukuran gumpalan. Kelas ukuran standar meliputi 0-5 mm, 5-25 mm, 25-50 mm dan 50-80 mm. Kelas kasar biasanya dipilih untuk sintesis kimia karena kelas tersebut memberikan lebih sedikit luas permukaan terhadap kelembaban sekitar selama penyimpanan dan pengangkutan, sehingga lebih sedikit bahan yang hilang akibat hidrolisis dini sebelum mencapai reaktor.
Lima-Rute Persiapan Lima Langkah untuk-Grafena Dua Dimensi
Langkah pertama membentuk prekursor sumber karbon. Kalsium karbida dan surfaktan dimasukkan ke dalam pengaduk tertutup dengan perbandingan massa 50:(3-6). Wadah didiamkan pada suhu 60-100 derajat C dan diaduk dengan kecepatan 80-120 rpm selama 5-10 menit. Temperatur sedang dan geser rendah sengaja digunakan, karena panas berlebih lokal akan menguraikan surfaktan sebelum dapat menstabilkan karbida yang terdispersi.
Langkah kedua membuat template. Rektorit dicuci dengan etanol terlebih dahulu lalu digabungkan dengan katalis pada rasio massa rektorit-terhadap-katalis sebesar 8:(0,1-0,3). Campuran diolah dalam unit gelombang mikro dengan daya 500-600 W selama 3-5 menit untuk menghasilkan templat katalis yang didukung rektorit. Pencucian etanol lebih merupakan titik kontrol daripada langkah pembersihan: air yang teradsorpsi dalam tanah liat bersaing dengan prekursor karbon selama interkalasi dan mengurangi keseragaman pengisian antar lapisan.
Langkah ketiga adalah tahap interkalasi. Prekursor dari langkah pertama dan templat yang dimuat dari langkah kedua dimasukkan ke dalam pencampur pendispersi tertutup dengan perbandingan massa 1:(3-4). Mixer ditahan pada suhu 60-80 derajat C dan dijalankan pada kecepatan 800-1000 rpm sambil diterapkan vakum 5-10 MPa selama 10-20 menit, sehingga prekursor ditarik ke dalam dan tertahan di dalam galeri antarlapis rektorit. Produk ini merupakan prekursor sumber karbon interlayer rektorit.
Langkah keempat adalah tahap pertumbuhan. Prekursor interkalasi ditempatkan dalam reaktor kering tertutup, ditambahkan asam campuran, dan reaktor dipanaskan hingga 800-1000 derajat C di bawah aliran argon 80-100 ml/menit. Waktu reaksi adalah 3-8 jam, setelah itu muatan mendingin secara alami hingga sekitar 20 derajat C. Kerangka rektorit kemudian dihilangkan dengan 30-50% asam nitrat berdasarkan massa untuk meninggalkan produk primer graphene.
Langkah kelima memurnikan produk. Produk utama dicuci dengan larutan alkali sampai larutan pencuci menjadi netral dan kemudian dikeringkan. Outputnya berupa graphene dua dimensi-berukuran besar dengan ketebalan lapisan 2 nm atau kurang, setara dengan sejumlah kecil tumpukan lapisan karbon.
| Tahap proses | Parameter kunci | Pengaturan |
|---|---|---|
| Pembentukan prekursor | Rasio CaC2 terhadap massa surfaktan | 50:(3-6) |
| Pembentukan prekursor | Suhu/pengadukan | 60-100 derajat C / 80-120 rpm / 5-10 menit |
| Persiapan templat | Rasio massa rektorit dan katalis | 8:(0.1-0.3) |
| Persiapan templat | Peringkat / waktu gelombang mikro | 500-600 W / 3-5 mnt |
| Interkalasi | Rasio massa prekursor dan templat | 1:(3-4) |
| Interkalasi | Waktu vakum/dispersi | 5-10 MPa / 10-20 menit pada 800-1000 rpm |
| Reaksi pertumbuhan | Suhu / waktu / aliran argon | 800-1000 derajat C / 3-8 jam / 80-100 ml per menit |
| Pemurnian | Kekuatan asam nitrat | 30-50% massa, lalu cuci hingga netral |
Praktik Tungku dan Intensitas Energi Bahan Baku
Reduksi-tungku listrik adalah satu-satunya cara yang digunakan untuk produksi kalsium karbida industri. Karbida cair mengalir dari dasar tungku reaksi ke dalam tangki penerima dan didinginkan menjadi produk padat yang selanjutnya dihancurkan dan disaring. Pengoperasiannya merupakan proses-bersuhu tinggi,-intensif debu. Pada tahun 1980-an, produksi satu ton kalsium karbida industri menghabiskan 10 hingga 11 GJ energi listrik; tungku tertutup dan berkapasitas besar kini lebih disukai karena dapat mengurangi kehilangan panas dan membuat produk sampingan karbon monoksida dapat diperoleh kembali sebagai bahan bakar atau sebagai bahan baku kimia daripada membakarnya.
Parameter Kualitas yang Harus Ditentukan untuk Produk Graphene
Tiga nilai penerimaan mengontrol nilai komersial dari keluaran: ketebalan lapisan, ukuran serpihan lateral, dan kandungan anorganik sisa. Ketebalan lapisan 2 nm atau kurang harus dikonfirmasi dengan mikroskop dan kosakata material dua dimensi yang sesuai, dan sertifikat pemasok saja tidak cukup sebagai bukti. Katalis sisa dan residu tanah liat dikendalikan oleh perlakuan asam nitrat dan pencucian netralisasi, sehingga kekuatan asam, durasi perlakuan, dan titik akhir pencucian semuanya harus muncul dalam catatan batch. ISO/TS 80004-13 mendefinisikan graphene dan material dua dimensi terkait serta menyediakan terminologi yang biasanya digunakan saat nilai-nilai ini dituliskan ke dalam spesifikasi pembelian.
Pengemasan, Penyimpanan dan Keamanan
Kalsium karbida harus dijaga tetap kering dan jauh dari air, karena kontak dengan uap air akan menghasilkan asetilena, gas yang mudah terbakar. Drum baja tersegel dalam ukuran 50 kg dan 100 kg merupakan kemasan ekspor biasa, dan gumpalan kasar berukuran 50-80 mm lebih disukai untuk ekspor karena dapat bertahan dalam penanganan dengan menghasilkan butiran halus yang lebih sedikit. Drum atau tas yang menyerap kelembapan tidak boleh dibuka di ruang tertutup tanpa ventilasi. Di sisi graphene, pengeringan harus diselesaikan sebelum pengemasan: kelembapan yang teradsorpsi pada bubuk karbon-permukaan-area tinggi mendorong re-aglomerasi dan mengubah distribusi ukuran partikel yang diukur.
Pertanyaan yang Sering Diajukan
Q:Apa keunggulan kalsium karbida dibandingkan grafit sebagai sumber karbon graphene?
J: Tulang punggung karbon sudah ada sebagai unit dua-karbon reaktif, sehingga prosesnya menghindari tahap pemurnian grafit dan perengkahan hidrokarbon yang menghabiskan energi dan modal tambahan.
Q:Berapa perbandingan massa kalsium karbida dan surfaktan yang digunakan pada tahap prekursor?
A: 50:(3-6), dicampur dalam agitator tertutup pada suhu 60-100 derajat C dan 80-120 rpm selama 5-10 menit.
Q:Mengapa rektorit dicuci dengan etanol sebelum microwave?
J: Etanol menghilangkan air yang teradsorpsi, dan sisa uap air akan bersaing dengan prekursor karbon ketika ditarik ke dalam galeri antarlapisan selama interkalasi vakum.
Q:Berapa tingkat vakum dan kecepatan pencampuran yang digunakan dalam pencampur pendispersi?
A: 800-1000 rpm dengan vakum 5-10 MPa selama 10-20 menit pada suhu terkontrol 60-80 derajat C.
Q:Bagaimana kondisi pertumbuhan di dalam reaktor kering?
A: 800-1000 derajat C selama 3-8 jam di bawah argon dengan kecepatan 80-100 ml per menit, diikuti dengan pendinginan alami hingga sekitar 20 derajat C.
Q:Bagaimana templat rektorat dihapus setelah pertumbuhan?
A: Dengan 30-50% asam nitrat berdasarkan massa, setelah itu produk dicuci dengan larutan alkali hingga netral dan dikeringkan hingga menjadi bubuk graphene akhir.