탄소 나노튜브(CNT)는 다양한 방법을 통해 합성되며, 상업적 생산에는 화학 기상 증착(CVD)이 가장 일반적입니다.
CVD는 촉매와 탄화수소 가스를 사용하여 기판 위에 CNT를 성장시킵니다.
다른 방법으로는 레이저 제거, 아크 방전, 저온 합성을 가능하게 하는 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD) 등이 있습니다.
새로운 방법으로는 용융염의 전기분해 또는 메탄 열분해로 포집한 이산화탄소와 같은 친환경 또는 폐기물 공급 원료를 사용하여 환경에 미치는 영향을 최소화하면서 CNT를 생산하는 방법을 모색하고 있습니다.
합성 방법:
1. 화학 기상 증착(CVD)
CVD는 확장성과 고품질 CNT를 생산할 수 있는 능력으로 인해 산업계에서 널리 사용됩니다.
CVD에서는 촉매 입자로 코팅된 기판이 고온의 탄화수소 가스에 노출됩니다.
가스는 촉매 표면에서 분해되고 탄소 원자가 증착되어 CNT를 형성합니다.
이 공정은 온도, 가스 유량, 촉매 유형 등의 파라미터를 조정하여 최적화할 수 있습니다.
2. 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD)
PECVD는 플라즈마를 사용하여 낮은 온도에서 화학 반응을 향상시키므로 유리와 같이 온도에 민감한 기판에 CNT를 증착하는 데 적합합니다.
이 방법은 전자제품 통합과 같이 저온 처리가 필요한 애플리케이션에 유망합니다.
3. 레이저 어블레이션 및 아크 방전
이 방법은 CNT 합성에 사용되는 초기 방법입니다.
레이저 어블레이션은 고출력 레이저를 사용하여 흑연 타겟을 기화시킵니다.
아크 방전은 두 흑연 전극 사이에 전기 아크를 생성하는 방식입니다.
두 방법 모두 CNT를 생산하지만 CVD에 비해 제어 및 확장성이 떨어집니다.
4. 친환경 또는 폐기물 공급 원료를 사용하는 새로운 방법
여기에는 용융염에서 이산화탄소를 전기분해하거나 메탄 열분해와 같은 공정이 포함됩니다.
이러한 방법은 폐가스를 가치 있는 CNT로 전환하여 잠재적으로 환경에 미치는 영향을 줄이고 지속 가능한 탄소 공급원을 제공하는 것을 목표로 합니다.
정제 방법:
합성 과정에서 비정질 탄소 및 금속 촉매 입자와 같은 불순물뿐만 아니라 구조와 크기가 다른 CNT의 혼합물이 생성되는 경우가 많으므로 CNT의 정제는 매우 중요합니다.
1. 산화
질산과 같은 강력한 산화제를 사용하여 불순물을 선택적으로 연소시키면서 CNT는 그대로 유지합니다.
이 방법은 또한 CNT를 기능화하여 용해도와 반응성을 향상시킬 수 있습니다.
2. 분리 기술
원심분리, 크로마토그래피, 전기영동 등 물리적, 화학적 특성에 따라 CNT를 분리할 수 있습니다.
3. 기계적 방법
초음파 처리 및 여과와 같이 불순물로부터 CNT를 물리적으로 분리할 수 있습니다.
이러한 합성 및 정제 방법은 CNT 생산의 품질과 지속 가능성을 개선하기 위해 지속적으로 발전하고 있으며, 다양한 응용 분야에서 더욱 실용적으로 활용되고 있습니다.
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