RU2788184C2 - Use of manufactured carbon nanomaterials with low level of carbon footprint for manufacture of composite materials with low level of co2 emissions - Google Patents
Use of manufactured carbon nanomaterials with low level of carbon footprint for manufacture of composite materials with low level of co2 emissions Download PDFInfo
- Publication number
- RU2788184C2 RU2788184C2 RU2021107998A RU2021107998A RU2788184C2 RU 2788184 C2 RU2788184 C2 RU 2788184C2 RU 2021107998 A RU2021107998 A RU 2021107998A RU 2021107998 A RU2021107998 A RU 2021107998A RU 2788184 C2 RU2788184 C2 RU 2788184C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- carbon
- footprint
- nanomaterial
- composite material
- manufacture
- Prior art date
Links
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 444
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 346
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 172
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 title claims abstract description 155
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 127
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 claims abstract description 80
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L Carbonate dianion Chemical compound [O-]C([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims abstract description 71
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 52
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 52
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 50
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 claims abstract description 46
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 claims abstract description 5
- 239000012071 phase Substances 0.000 claims abstract description 5
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 claims abstract description 5
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 claims description 162
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 claims description 161
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 95
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 67
- 239000004568 cement Substances 0.000 claims description 63
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims description 40
- 239000002134 carbon nanofiber Substances 0.000 claims description 36
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 25
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 25
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims description 20
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 20
- 239000004567 concrete Substances 0.000 claims description 19
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 16
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 13
- XGZVUEUWXADBQD-UHFFFAOYSA-L lithium carbonate Chemical compound [Li+].[Li+].[O-]C([O-])=O XGZVUEUWXADBQD-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 11
- 229910052808 lithium carbonate Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 239000004033 plastic Substances 0.000 claims description 11
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 claims description 10
- 239000002121 nanofiber Substances 0.000 claims description 9
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 9
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 8
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 8
- 239000012212 insulator Substances 0.000 claims description 8
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 claims description 8
- 239000011111 cardboard Substances 0.000 claims description 7
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 7
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 7
- 239000004570 mortar (masonry) Substances 0.000 claims description 7
- FUJCRWPEOMXPAD-UHFFFAOYSA-N Lithium oxide Chemical group [Li+].[Li+].[O-2] FUJCRWPEOMXPAD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910001947 lithium oxide Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000002055 nanoplate Substances 0.000 claims description 6
- 229920005989 resin Polymers 0.000 claims description 6
- 239000011347 resin Substances 0.000 claims description 6
- 239000011440 grout Substances 0.000 claims description 5
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 4
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000007792 addition Methods 0.000 abstract description 10
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 5
- 239000000047 product Substances 0.000 description 38
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 34
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 33
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminum Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 33
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 24
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 19
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 18
- 230000001976 improved Effects 0.000 description 17
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 17
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 description 17
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 16
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 16
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 15
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 15
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 15
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 14
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 14
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 description 13
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 13
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 13
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 13
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 13
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N oxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 13
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 13
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 13
- 150000004649 carbonic acid derivatives Chemical class 0.000 description 12
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 12
- 239000005431 greenhouse gas Substances 0.000 description 11
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 11
- 239000002667 nucleating agent Substances 0.000 description 11
- 229910018068 Li 2 O Inorganic materials 0.000 description 10
- 239000004035 construction material Substances 0.000 description 10
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 10
- -1 or drywall Substances 0.000 description 10
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 10
- 230000002194 synthesizing Effects 0.000 description 10
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 9
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 9
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 9
- 238000001237 Raman spectrum Methods 0.000 description 8
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 8
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 8
- 230000003014 reinforcing Effects 0.000 description 8
- 238000000527 sonication Methods 0.000 description 8
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 8
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 8
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 229910001369 Brass Inorganic materials 0.000 description 7
- 230000000996 additive Effects 0.000 description 7
- 239000010951 brass Substances 0.000 description 7
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 7
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 7
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 7
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 7
- 239000011398 Portland cement Substances 0.000 description 6
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 6
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 6
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 6
- 239000000123 paper Substances 0.000 description 6
- 229910052784 alkaline earth metal Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 5
- 239000004615 ingredient Substances 0.000 description 5
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 5
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 5
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 5
- 235000019738 Limestone Nutrition 0.000 description 4
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 description 4
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 4
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 4
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 4
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 4
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 4
- 239000002803 fossil fuel Substances 0.000 description 4
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 4
- 239000006028 limestone Substances 0.000 description 4
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 4
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 4
- 239000004094 surface-active agent Substances 0.000 description 4
- 229910000792 Monel Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 3
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 3
- 229910003481 amorphous carbon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011575 calcium Substances 0.000 description 3
- 125000004432 carbon atoms Chemical group C* 0.000 description 3
- 238000004177 carbon cycle Methods 0.000 description 3
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000002717 carbon nanostructure Substances 0.000 description 3
- 210000004027 cells Anatomy 0.000 description 3
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000009472 formulation Methods 0.000 description 3
- 229910001026 inconel Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 3
- 238000011068 load Methods 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- 238000006011 modification reaction Methods 0.000 description 3
- 239000002071 nanotube Substances 0.000 description 3
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 3
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 3
- 239000011087 paperboard Substances 0.000 description 3
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 3
- 238000002490 spark plasma sintering Methods 0.000 description 3
- 238000009210 therapy by ultrasound Methods 0.000 description 3
- 238000010792 warming Methods 0.000 description 3
- 229910013184 LiBO Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000005092 Ruthenium Substances 0.000 description 2
- 229920002522 Wood fibre Polymers 0.000 description 2
- IKHGUXGNUITLKF-UHFFFAOYSA-N acetaldehyde Chemical compound CC=O IKHGUXGNUITLKF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005054 agglomeration Methods 0.000 description 2
- 229910000288 alkali metal carbonate Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000008041 alkali metal carbonates Chemical class 0.000 description 2
- REDXJYDRNCIFBQ-UHFFFAOYSA-N aluminium(3+) Chemical class [Al+3] REDXJYDRNCIFBQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910001570 bauxite Inorganic materials 0.000 description 2
- BDOSMKKIYDKNTQ-UHFFFAOYSA-N cadmium Chemical compound [Cd] BDOSMKKIYDKNTQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052793 cadmium Inorganic materials 0.000 description 2
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000005323 carbonate salts Chemical class 0.000 description 2
- 239000010406 cathode material Substances 0.000 description 2
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052803 cobalt Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 2
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 2
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 2
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 2
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 2
- 239000003546 flue gas Substances 0.000 description 2
- 239000011507 gypsum plaster Substances 0.000 description 2
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 2
- 229910001387 inorganic aluminate Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 2
- 239000002655 kraft paper Substances 0.000 description 2
- PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N manganese Chemical compound [Mn] PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011572 manganese Substances 0.000 description 2
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 2
- 239000002048 multi walled nanotube Substances 0.000 description 2
- 238000005580 one pot reaction Methods 0.000 description 2
- 230000037361 pathway Effects 0.000 description 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 2
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011591 potassium Substances 0.000 description 2
- BWHMMNNQKKPAPP-UHFFFAOYSA-L potassium carbonate Chemical compound [K+].[K+].[O-]C([O-])=O BWHMMNNQKKPAPP-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 2
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 2
- 150000004760 silicates Chemical class 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 2
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000010454 slate Substances 0.000 description 2
- KEAYESYHFKHZAL-UHFFFAOYSA-N sodium Chemical compound [Na] KEAYESYHFKHZAL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 2
- 230000002269 spontaneous Effects 0.000 description 2
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 2
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 2
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 description 2
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N tin hydride Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 2
- LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N vanadium(0) Chemical compound [V] LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 2
- MXRGSJAOLKBZLU-UHFFFAOYSA-N 3-ethenylazepan-2-one Chemical compound C=CC1CCCCNC1=O MXRGSJAOLKBZLU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- TVFDJXOCXUVLDH-UHFFFAOYSA-N Cesium Chemical compound [Cs] TVFDJXOCXUVLDH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000570 Cupronickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003775 Density Functional Theory Methods 0.000 description 1
- 239000005977 Ethylene Substances 0.000 description 1
- 229910001200 Ferrotitanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001335 Galvanized steel Inorganic materials 0.000 description 1
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium Ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 210000004940 Nucleus Anatomy 0.000 description 1
- 235000008331 Pinus X rigitaeda Nutrition 0.000 description 1
- 235000011613 Pinus brutia Nutrition 0.000 description 1
- 241000018646 Pinus brutia Species 0.000 description 1
- 210000002381 Plasma Anatomy 0.000 description 1
- ODGAOXROABLFNM-UHFFFAOYSA-N Polynoxylin Chemical compound O=C.NC(N)=O ODGAOXROABLFNM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000006004 Quartz sand Substances 0.000 description 1
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920001807 Urea-formaldehyde Polymers 0.000 description 1
- 238000000563 Verneuil process Methods 0.000 description 1
- TUBLEHGZOFOXGZ-UHFFFAOYSA-L [Fr+].[Fr+].[O-]C([O-])=O Chemical class [Fr+].[Fr+].[O-]C([O-])=O TUBLEHGZOFOXGZ-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- YPWICUOZSQYGTD-UHFFFAOYSA-L [Ra+2].[O-]C([O-])=O Chemical class [Ra+2].[O-]C([O-])=O YPWICUOZSQYGTD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 239000004964 aerogel Substances 0.000 description 1
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 1
- 229910052783 alkali metal Inorganic materials 0.000 description 1
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010405 anode material Substances 0.000 description 1
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 1
- 238000000498 ball milling Methods 0.000 description 1
- 229910052788 barium Inorganic materials 0.000 description 1
- QVQLCTNNEUAWMS-UHFFFAOYSA-N barium oxide Inorganic materials [Ba]=O QVQLCTNNEUAWMS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- DSAJWYNOEDNPEQ-UHFFFAOYSA-N barium(0) Chemical compound [Ba] DSAJWYNOEDNPEQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052790 beryllium Inorganic materials 0.000 description 1
- ATBAMAFKBVZNFJ-UHFFFAOYSA-N beryllium(0) Chemical compound [Be] ATBAMAFKBVZNFJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NGKQNTOXCAGWRY-UHFFFAOYSA-N bis(dioxidoboranyloxy)borinate Chemical class [O-]B([O-])OB([O-])OB([O-])[O-] NGKQNTOXCAGWRY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004566 building material Substances 0.000 description 1
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- 229910052792 caesium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001354 calcination Methods 0.000 description 1
- 150000001721 carbon Chemical class 0.000 description 1
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 239000011083 cement mortar Substances 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 229910001179 chromel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004927 clay Substances 0.000 description 1
- 229910052570 clay Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000010959 commercial synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 239000008139 complexing agent Substances 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 230000002596 correlated Effects 0.000 description 1
- 231100000078 corrosive Toxicity 0.000 description 1
- 231100001010 corrosive Toxicity 0.000 description 1
- 230000001186 cumulative Effects 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 239000002270 dispersing agent Substances 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 description 1
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N ethene Chemical compound C=C VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 1
- 239000011152 fibreglass Substances 0.000 description 1
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-M fluoride anion Chemical compound [F-] KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 239000010881 fly ash Substances 0.000 description 1
- 239000004088 foaming agent Substances 0.000 description 1
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 239000008397 galvanized steel Substances 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 239000010440 gypsum Substances 0.000 description 1
- 229910052602 gypsum Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000036541 health Effects 0.000 description 1
- 239000007970 homogeneous dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000001192 hot extrusion Methods 0.000 description 1
- 230000002209 hydrophobic Effects 0.000 description 1
- 239000003317 industrial substance Substances 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory Effects 0.000 description 1
- 238000010102 injection blow moulding Methods 0.000 description 1
- 238000001746 injection moulding Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000009114 investigational therapy Methods 0.000 description 1
- GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N iridium Chemical compound [Ir] GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 description 1
- UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N iron oxide Chemical compound [Fe]=O UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000460 iron oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000608 laser ablation Methods 0.000 description 1
- 238000002386 leaching Methods 0.000 description 1
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000314 lubricant Substances 0.000 description 1
- 239000004579 marble Substances 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 description 1
- 238000009768 microwave sintering Methods 0.000 description 1
- 229910021392 nanocarbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002064 nanoplatelet Substances 0.000 description 1
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 1
- 229910001120 nichrome Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 1
- 150000002894 organic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 150000002902 organometallic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 239000004014 plasticizer Substances 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 239000001184 potassium carbonate Substances 0.000 description 1
- 229910000027 potassium carbonate Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003334 potential Effects 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 230000000135 prohibitive Effects 0.000 description 1
- GOOHAUXETOMSMM-UHFFFAOYSA-N propylene oxide Chemical class CC1CO1 GOOHAUXETOMSMM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011435 rock Substances 0.000 description 1
- IGLNJRXAVVLDKE-UHFFFAOYSA-N rubidium Chemical compound [Rb] IGLNJRXAVVLDKE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052701 rubidium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004576 sand Substances 0.000 description 1
- 230000001953 sensory Effects 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 239000002893 slag Substances 0.000 description 1
- CDBYLPFSWZWCQE-UHFFFAOYSA-L sodium carbonate Chemical class [Na+].[Na+].[O-]C([O-])=O CDBYLPFSWZWCQE-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 239000001187 sodium carbonate Substances 0.000 description 1
- 235000011182 sodium carbonates Nutrition 0.000 description 1
- FKNQFGJONOIPTF-UHFFFAOYSA-N sodium cation Chemical compound [Na+] FKNQFGJONOIPTF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001415 sodium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 239000002594 sorbent Substances 0.000 description 1
- 239000004575 stone Substances 0.000 description 1
- CIOAGBVUUVVLOB-UHFFFAOYSA-N strontium Chemical compound [Sr] CIOAGBVUUVVLOB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052712 strontium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000026676 system process Effects 0.000 description 1
- 230000001131 transforming Effects 0.000 description 1
- 229910000314 transition metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004642 transportation engineering Methods 0.000 description 1
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
- 238000009423 ventilation Methods 0.000 description 1
- XTXRWKRVRITETP-UHFFFAOYSA-N vinyl acetate Chemical compound CC(=O)OC=C XTXRWKRVRITETP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BZHJMEDXRYGGRV-UHFFFAOYSA-N vinyl chloride Chemical compound ClC=C BZHJMEDXRYGGRV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 1
- 238000009941 weaving Methods 0.000 description 1
- 239000002025 wood fiber Substances 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Перекрестная ссылка на родственные заявкиCross-reference to related applications
[0001] Настоящая заявка испрашивает приоритет и преимущества предварительной заявки на патент США №62/752,124, поданной 29 октября 2018 года и озаглавленной «Значительно усиленное устранение выбросов парникового газа СО2 в углеродном цикле с применением композиционных материалов, содержащих углеродные нанотрубки C2CNT», и предварительной заявки на патент США №62/890,719, поданной 23 августа 2019 года и озаглавленной «Значительно усиленное устранение выбросов парникового газа СО2 в углеродном цикле с применением композиционных материалов, содержащих углеродные нанотрубки C2CNT», причем полное содержание каждой из них включено в настоящий документ посредством ссылки.[0001] This application claims the priority and benefits of U.S. Provisional Application No. 62/752,124, filed Oct. 29, 2018, entitled "Significantly Enhanced Carbon Cycle CO2 Greenhouse Gas Elimination Using C2CNT Carbon Nanotube Composite Materials" and U.S. Interim Patent Application No. 62/890,719, filed Aug. 23, 2019, entitled "Significantly Enhanced Carbon Cycle CO2 Greenhouse Gas Elimination Using Composite Materials Incorporating C2CNT Carbon Nanotubes", the full contents of each of which are incorporated herein through a link.
Область техники настоящего изобретенияTECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
[0002] Настоящее изобретение относится к применению углеродных нано материалов, изготовленных с низким уровнем углеродного следа, в целях изготовления композиционных материалов с низкими выбросами СО2, а также к соответствующим способам.[0002] The present invention relates to the use of carbon nanomaterials made with a low carbon footprint for the manufacture of composite materials with low CO 2 emissions, as well as corresponding methods.
Уровень техники настоящего изобретенияState of the art of the present invention
[0003] Конструкционные материалы, такие как цемент, металл, или подобные материалы находят применение в разнообразных приложениях и отраслях промышленности. Например, цемент и металл находят применение в строительстве зданий, мостов и дорог; а также металлы находят применение в изготовлении транспортных средств и промышленных и потребительских изделий. От подходящего конструкционного материала для конкретного применения могут потребоваться определенная механическая прочность и другие физические свойства, которые могут накладывать ограничения на конструкцию и стоимость данного строительного проекта или продукта. Распространенное применение конструкционных материалов вносит существенный вклад во всемирные выбросы диоксида углерода и изменение климата. Посредством введения добавок в конструкционные материалы можно изготавливать имеющие улучшенные желательные свойства композиционные материалы, сплавы или смеси, многослойные материалы, изоляторы или гипсокартон, причем могут быть изготовлены композиционные материалы, сплавы или смеси, имеющие улучшенные желательные свойства.[0003] Construction materials such as cement, metal, or similar materials find use in a variety of applications and industries. For example, cement and metal find use in the construction of buildings, bridges, and roads; as well as metals find use in the manufacture of vehicles and industrial and consumer products. A suitable structural material for a particular application may require certain mechanical strengths and other physical properties, which may impose design and cost constraints on a given construction project or product. The widespread use of structural materials is a significant contributor to global carbon dioxide emissions and climate change. By incorporating additives into structural materials, composite materials, alloys or mixtures having improved desirable properties, laminates, insulators or drywall can be produced, and composite materials, alloys or mixtures having improved desirable properties can be made.
[0004] Зачастую оказывается желательным улучшение свойств конструкционного материала посредством введения добавок с получением композиционных материалов, сплавов или смесей, имеющих улучшенные желательные свойства. Примерные желательные свойства представляют собой прочность при растяжении, сжатии и изгибе, а также долговечность. Аналогичным образом, посредством введения добавок в другие материалы, такие как электрические проводники, стекло, керамические материалы, бумага, смола, полимер или пластмассы, картонные многослойные материалы, изоляторы или гипсокартон, могут быть изготовлены композиционные материалы, сплавы или смеси, имеющие улучшенные желательные свойства. Примерные желательные свойства представляют собой электрическая проводимость или изоляция, тепловая проводимость или изоляция, малый объем или масса, сопротивлению излому, гибкость и прочность.[0004] It is often desirable to improve the properties of a structural material through the introduction of additives to obtain composite materials, alloys or mixtures having improved desirable properties. Exemplary desirable properties are tensile, compressive, and flexural strength, and durability. Similarly, by incorporating additives into other materials such as electrical conductors, glass, ceramics, paper, resin, polymer or plastics, paperboard laminates, insulators, or drywall, composites, alloys, or blends can be made having improved desirable properties. . Exemplary desirable properties are electrical conductivity or insulation, thermal conductivity or insulation, low volume or mass, fracture resistance, flexibility and strength.
[0005] Добавки для изготовления композиционных материалов, имеющих улучшенные желательные свойства, также могут иметь недостатки, которые представляют собой техническую сложность, например, сложность изготовления композиционного материала, отсутствие желательных свойств у добавки или неоднородность добавки, или сложность масштабирования, или дефицит добавки, что делает запретительной стоимость композиционного материала, а также увеличение выбросов диоксида углерода в процессе изготовления, что вносит вклад во всемирные выбросы диоксида углерода и изменение климата. Кроме того, изготовление немодифицированного конструкционного материала или электрических проводников, стекла, керамических материалов, бумаги, полимеров, смолы, пластмасс, картонных многослойных материалов, изоляторов или гипсокартона зачастую связано с высоким уровнем углеродного следа. Например, типичное производство нержавеющей стали имеет уровень углеродного следа, составляющий 6,15 тонн выбросов СО2 на тонну изготовленной стали. В производстве алюминия выбросы, как правило, составляют 11,9 тонн СО2 на тонну продукта; в производстве титана выбросы, как правило, составляют 8,1 тонн СО2 на тонну продукта; в производстве магния выбросы, как правило, составляют 14 тонн СО2 на тонну продукта; и в производстве меди выбросы, как правило, составляют 5 тонн СО2 на тонну продукта. Зачастую оказывается желательным изготовление материала с пониженным уровнем углеродного следа. Пониженный уровень углеродного следа означает уменьшение выбросов парникового газа (диоксида углерода). Диоксид углерода вносит вклад в изменение климата, которое производит неблагоприятные эффекты, включая глобальное потепление, повышение уровня моря, засухи, наводнения, суровые погодные условия, экономические убытки, вредное воздействие на состояние здоровья, а также уничтожение среды обитания и вымирание биологических видов.[0005] Additives for making composite materials having improved desirable properties may also have disadvantages that represent technical complexity, for example, the complexity of manufacturing a composite material, the absence of desirable properties in the additive, or the heterogeneity of the additive, or the difficulty of scaling, or the deficiency of the additive, which makes the cost of the composite material prohibitive, as well as the increase in carbon dioxide emissions during the manufacturing process, which contributes to worldwide carbon dioxide emissions and climate change. In addition, the manufacture of unmodified structural material or electrical conductors, glass, ceramics, paper, polymers, resins, plastics, cardboard laminates, insulators or drywall often has a high carbon footprint. For example, typical stainless steel production has a carbon footprint of 6.15 tons of CO2 emissions per ton of steel produced. In aluminum production, emissions are typically 11.9 tons of CO 2 per ton of product; in titanium production, emissions are typically 8.1 tons of CO 2 per ton of product; in the production of magnesium, emissions are typically 14 tons of CO 2 per ton of product; and in copper production, emissions are typically 5 tons of CO 2 per ton of product. It is often desirable to produce a material with a reduced carbon footprint. A lower carbon footprint means less greenhouse gas (carbon dioxide) emissions. Carbon dioxide contributes to climate change, which produces adverse effects including global warming, sea level rise, droughts, floods, severe weather, economic loss, adverse health effects, and habitat destruction and extinction.
Краткое раскрытие настоящего изобретенияBrief summary of the present invention
[0006] Настоящее изобретение относится к способам объединения вещества с высоким уровнем углеродного следа, такого как конструкционные материалы, например, цемент, металл, лесоматериал или подобные материалы, или электрические проводники, стекло, керамические материалы, бумага, полимеры или пластмассы, картонные многослойные материалы, изоляторы или гипсокартон, для получения композиционного материала с низким уровнем углеродного следа и применения легко смешиваемых, масштабируемых в промышленных условиях, экономичных углеродных наноматериалов в целях уменьшения выбросов диоксида углерода при изготовлении композиционного материала по отношению к веществу с высоким уровнем углеродного следа.[0006] The present invention relates to methods for combining a substance with a high level of carbon footprint, such as structural materials, for example, cement, metal, timber or similar materials, or electrical conductors, glass, ceramic materials, paper, polymers or plastics, cardboard laminates , insulators, or drywall, to achieve a low carbon footprint composite and use easily blendable, industrially scalable, cost effective carbon nanomaterials to reduce carbon dioxide emissions from the composite relative to a high carbon footprint.
[0007] Согласно аспекту предложен способ изготовления материалов с пониженным уровнем углеродного следа, включающий получение первого вещества с высоким уровнем углеродного следа, которое подлежит превращению в композиционный материал, имеющим одно или несколько улучшенных свойств; получение материала, содержащего углеродный наноматериал, изготовленный с уровнем углеродного следа, составляющим менее чем 10 единиц массы выбросов диоксида углерода (CO2) в течение изготовления одной единицы массы углеродного наноматериала; и изготовление композиционного материала, содержащего первый конструкционный материал и от 0,001 мас. % до 25 мас. % углеродного наноматериала, причем углеродный наноматериал равномерно диспергирован в композиционном материале.[0007] According to an aspect, there is provided a method for making materials with a reduced carbon footprint, comprising providing a first substance with a high carbon footprint that is to be converted into a composite material having one or more improved properties; obtaining a material containing a carbon nanomaterial manufactured with a carbon footprint of less than 10 mass units of carbon dioxide (CO 2 ) emissions during the manufacture of one mass unit of the carbon nanomaterial; and the manufacture of a composite material containing the first structural material and from 0.001 wt. % up to 25 wt. % carbon nanomaterial, and the carbon nanomaterial is uniformly dispersed in the composite material.
[0008] В способе согласно предшествующему абзацу уровень углеродного следа может составлять от 1 до 10 или от 0 до 1. Уровень углеродного следа может быть отрицательным, что может означать чистое потребление диоксида углерода в течение изготовления углеродного наноматериала. Углеродный наноматериал может содержать прямые углеродные нанотрубки, которые не переплетаются для упрощения диспергирования в композиционном материале. Углеродный наноматериал может содержать углеродные нановолокна. Углеродные нановолокна могут иметь среднее соотношение характеристических размеров от 10 до 1000 и толщину от 3 нм до 999 нм. Нановолокна могут содержать углеродные нанотрубки. Нановолокна могут содержать спиральные углеродные нанотрубки. Углеродные нановолокна могут содержать непереплетенные углеродные нановолокна. Углеродный наноматериал может содержать углеродные нанолуковицы. Углеродный наноматериал может содержать углеродный нанокаркас. Углеродный наноматериал может содержать нанопластинки. Углеродный наноматериал может содержать графен. Способ может включать добавление армирующего материала в твердую фазу, жидкую фазу или газовую фазу конструкционного материала с получением композиционного материала. Способ может включать диспергирование углеродного наноматериала в жидкости с получением первой смеси, смешивание первой смеси и конструкционного материала с получением второй смеси и изготовление композиционного материала из второй смеси. Жидкость может содержать воду. Углеродный наноматериал может быть изготовлен из расплавленного карбоната посредством электролиза. Расплавленный карбонат может быть изготовлен посредством реакции диоксида углерода и оксида металла в расплавленном электролите. Оксид металла может представлять собой оксид лития. Расплавленный карбонат может содержать карбонат лития, литийсодержащий карбонат или смесь карбонатов щелочных и/или щелочноземельных металлов. Конструкционный материал может содержать цемент, бетон, строительный раствор или цементный раствор. Конструкционный материал может содержать металл, например, один или несколько металлов из алюминия, стали, магния и титана. Конструкционный материал может содержать пластический материал. Конструкционный материал может содержать полимер. Конструкционный материал может содержать лесоматериал. Конструкционный материал может содержать картон. Конструкционный материал может содержать многослойный материал. Конструкционный материал может содержать гипсокартон. Другие вещества с высоким уровнем углеродного следа могут представлять собой смолу, керамический материал, стекло и изолятор или электрический проводник. Углеродный наноматериал может иметь размеры доменов менее чем 1000 мкм в композиционном материале. Композиционный материал может содержать от 0,01 мас. % до 1 мас. %, или от 0,01 мас. % до 0,5 мас. %, или от 0,01 мас. % до 0,3 мас. %, или от 0,01 мас. % до 0,1 мас. % углеродного наноматериала.[0008] In the method according to the preceding paragraph, the carbon footprint level can be from 1 to 10 or from 0 to 1. The carbon footprint level can be negative, which can mean net consumption of carbon dioxide during the manufacture of the carbon nanomaterial. The carbon nanomaterial may comprise straight carbon nanotubes that are not intertwined to facilitate dispersion in the composite. The carbon nanomaterial may contain carbon nanofibers. Carbon nanofibers can have an average aspect ratio of 10 to 1000 and a thickness of 3 nm to 999 nm. The nanofibers may contain carbon nanotubes. The nanofibers may contain helical carbon nanotubes. The carbon nanofibers may comprise non-entangled carbon nanofibers. The carbon nanomaterial may contain carbon nano-onions. The carbon nanomaterial may contain a carbon nanoframework. The carbon nanomaterial may contain nanoplatelets. The carbon nanomaterial may contain graphene. The method may include adding a reinforcing material to the solid phase, liquid phase, or gas phase of the structural material to form a composite material. The method may include dispersing the carbon nanomaterial in a liquid to form a first mixture, mixing the first mixture and the structural material to form a second mixture, and making a composite material from the second mixture. The liquid may contain water. The carbon nanomaterial can be made from molten carbonate through electrolysis. Molten carbonate can be made by reacting carbon dioxide and metal oxide in a molten electrolyte. The metal oxide may be lithium oxide. The molten carbonate may comprise lithium carbonate, a lithium-containing carbonate, or a mixture of alkali and/or alkaline earth metal carbonates. The structural material may contain cement, concrete, mortar or grout. The structural material may comprise a metal, such as one or more of aluminium, steel, magnesium and titanium. The structural material may comprise a plastic material. The construction material may contain a polymer. The structural material may comprise timber. The construction material may comprise cardboard. The structural material may comprise a multilayer material. The structural material may contain drywall. Other substances with a high carbon footprint can be resin, ceramic material, glass, and an insulator or electrical conductor. The carbon nanomaterial may have domain sizes of less than 1000 microns in the composite material. The composite material may contain from 0.01 wt. % up to 1 wt. %, or from 0.01 wt. % up to 0.5 wt. %, or from 0.01 wt. % to 0.3 wt. %, or from 0.01 wt. % to 0.1 wt. % carbon nanomaterial.
[0009] Согласно другому аспекту предложен композиционный материал, изготовленный способом, описанным в настоящем документе.[0009] According to another aspect, a composite material is provided that is made by the method described herein.
[0010] Согласно следующему аспекту предложено применение углеродного наноматериала, изготовленного с уровнем углеродного следа, составляющим менее чем 10 единиц массы выбросов диоксида углерода (СО2) в течение изготовления одной единицы массы углеродного наноматериала, для армирования конструкционного материала.[0010] According to a further aspect, the use of a carbon nanomaterial manufactured with a carbon footprint of less than 10 mass units of carbon dioxide (CO 2 ) emissions during the manufacture of one mass unit of the carbon nanomaterial is provided to reinforce a structural material.
[0011] Согласно следующему аспекту предложено применение углеродного наноматериала в композиционном материале, содержащем конструкционный материал, для армирования конструкционного материала, причем углеродный наноматериал изготавливают с уровнем углеродного следа, составляющим менее чем 10 единиц массы выбросов диоксида углерода (СО2) в течение изготовления одной единицы массы углеродного наноматериала.[0011] According to the following aspect, the use of a carbon nanomaterial in a composite material containing a structural material is proposed for reinforcing the structural material, and the carbon nanomaterial is manufactured with a carbon footprint level of less than 10 mass units of carbon dioxide (CO 2 ) emissions during the manufacture of one unit masses of carbon nanomaterial.
[0012] Согласно следующему аспекту предложено применение углеродного наноматериала, изготовленного с низким уровнем углеродного следа в композиционном материале, содержащем конструкционный материал и углеродный наноматериал, для уменьшения суммарных выбросов диоксида углерода (СО2) в течение изготовления композиционного материала, причем низкий уровень углеродного следа представляет собой уровень углеродного следа, составляющий менее чем 10 единиц массы выбросов СО2 в течение изготовления одной единицы массы углеродного наноматериала. Углеродный наноматериал может быть изготовлен из расплавленного карбоната посредством электролиза. Композиционный материал может представлять собой композиционный материал, описанный в настоящем документе.[0012] According to the following aspect, the use of a carbon nanomaterial made with a low carbon footprint in a composite material containing a structural material and a carbon nanomaterial is proposed to reduce the total emissions of carbon dioxide (CO 2 ) during the manufacture of the composite material, and the low carbon footprint represents is a carbon footprint of less than 10 mass units of CO 2 emissions during the manufacture of one mass unit of carbon nanomaterial. The carbon nanomaterial can be made from molten carbonate through electrolysis. The composite material may be the composite material described herein.
[0013] Другие аспекты и признаки настоящего изобретения становятся очевидными для обычного специалиста в данной области техники после ознакомления со следующим описанием конкретных вариантов осуществления настоящего изобретения в сочетании с сопровождающими фигурами.[0013] Other aspects and features of the present invention will become apparent to one of ordinary skill in the art upon reading the following description of specific embodiments of the present invention in conjunction with the accompanying figures.
Краткое описание фигурBrief description of the figures
[0014] На фигурах проиллюстрированы варианты осуществления настоящего изобретения, представленные исключительно в качестве примера.[0014] The figures illustrate embodiments of the present invention by way of example only.
[0015] На фиг. 1А представлено полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) изображение образца углеродных нанотрубок, изготовленных из расплавленного карбоната посредством электролиза;[0015] FIG. 1A is a scanning electron microscope (SEM) image of a sample of carbon nanotubes made from molten carbonate by electrolysis;
[0016] на фиг. 1В представлено фотографическое изображение стеклянного контейнера, содержащего смесь воды и углеродных нанотрубок, равномерно диспергированных в воде;[0016] in FIG. 1B is a photograph of a glass container containing a mixture of water and carbon nanotubes uniformly dispersed in water;
[0017] на фиг. 1С представлено фотографическое изображение композиционного материала, изготовленного из смеси, представленной на фиг. 1В;[0017] in FIG. 1C is a photographic representation of a composite material made from the mixture shown in FIG. 1B;
[0018] на фиг. 2 представлена схематическая блок-диаграмма, иллюстрирующая примерный способ изготовления в целях получения композиционного материала из конструкционного материала и углеродного наноматериала согласно варианту осуществления настоящего изобретения;[0018] in FIG. 2 is a schematic block diagram illustrating an exemplary manufacturing method for producing a composite material from a structural material and a carbon nanomaterial according to an embodiment of the present invention;
[0019] на фиг. 3 представлена блок-диаграмма, иллюстрирующая проблемы перехода от композиционных материалов из конструкционного материала и углеродного наноматериала к конструкционным материалам с пониженным уровнем углеродного следа и устранение препятствий для получения более благоприятных конструкционных материалов для окружающей среды;[0019] in FIG. 3 is a block diagram illustrating the challenges of moving from structural material and carbon nanomaterial composite materials to lower carbon footprint structural materials and removing barriers to more environmentally friendly structural materials;
[0020] на фиг. 4 представлена блок-диаграмма электролитической системы для изготовления углеродных нано материалов из расплавленного карбоната и диоксид углерода;[0020] in FIG. 4 is a block diagram of an electrolytic system for making carbon nanomaterials from molten carbonate and carbon dioxide;
[0021] на фиг. 5 представлены фотографии здания установки C2CNT для ежедневной переработки 2 тонн СО2;[0021] in FIG. 5 shows photographs of the building of the C2CNT plant for daily processing of 2 tons of CO 2 ;
[0022] на фиг. 6 представлен спектр комбинационного рассеяния образца углеродных нанотрубок;[0022] in FIG. 6 shows the Raman spectrum of a carbon nanotube sample;
[0023] на фиг. 7 представлен спектр комбинационного рассеяния образца углеродных нанолуковиц;[0023] in FIG. 7 shows the Raman spectrum of a carbon nanoonion sample;
[0024] на фиг. 8 представлены спектры комбинационного рассеяния образцов графена и углеродных пластинок;[0024] in FIG. 8 shows the Raman spectra of graphene samples and carbon plates;
[0025] на фиг. 9 представлен образец углеродных нанокаркасов;[0025] in FIG. 9 shows a sample of carbon nanoframeworks;
[0026] на фиг. 10 представлен образец спиральных углеродных нанотрубок;[0026] in FIG. 10 shows an example of helical carbon nanotubes;
[0027] на фиг. 11 представлен образец компонента многослойного углеродного наноматериала; и[0027] in FIG. 11 shows an example of a multilayer carbon nanomaterial component; and
[0028] на фиг. 12 представлены примеры уменьшения выбросов СО2 посредством добавления углеродных нанотрубок в цемент и алюминий.[0028] in FIG. 12 shows examples of reducing CO 2 emissions by adding carbon nanotubes to cement and aluminum.
Подробное раскрытие настоящего изобретенияDetailed disclosure of the present invention
[0029] Было признано, что углеродные наноматериалы могут быть использованы для изготовления композиционных материалов, имеющих улучшенные свойства. Однако традиционные углеродные наноматериалы с высоким уровнем углеродного следа отличаются высокой стоимостью производства, и при этом, как правило, образуются скрученные и переплетенные материалы, не способствующие выполнению требования равномерного диспергирования, которому удовлетворяют высококачественные композиционные материалы. До настоящего времени крупномасштабное (промышленное) производство углеродных наноматериалов осуществляли посредством вариантов синтеза методом химического осаждения из паровой фазы (CVD). Например, в типичных традиционных технологиях изготовления углеродных нанотрубок (CNT) используется синтез методом CVD. В синтезе CNT методом CVD, как правило, получают скрученные и переплетенные CNT, которые не способствуют простому смешиванию. Переплетенные и скрученные CNT проявляют тенденцию к образованию агломератов в водной смеси, и, таким образом, оказывается затруднительным их равномерное диспергирование в композиционных материалах на основе водных смесей, таких как цемент или бетон. Неравномерное распределение CNT в составе цемента или бетона будет ухудшать целостность продукта и препятствовать эффективному использованию армирующего материала. В синтезе методом CVD используют дорогостоящие металлоорганические соединения (или смеси металлов и органических соединений) в низкой концентрации и очень высокие уровни энергии. Для этого требуются значительные производственные расходы, приводящие к высокой рыночной стоимости (например, составляющей выше 100000 долларов США за тонну CNT и выше 1000000 долларов США за тонну графена. Таким образом, было бы непрактичным и неэкономичным применение углеродных нанотрубок, изготовленных методом CVD, для изготовления композиционных материалов. Кроме того, метод CVD также имеет высокий уровень углеродного следа, например, составляющий вплоть до 600 тонн выбросов СО2 для изготовления одной тонны углеродных наноматериалов (см. статью V. Khanna, В.R. Bakshi, L.J. Lee, J. bid. Ecology, 12 (2008) 394-410). При использовании в настоящем документе термин «уровень углеродного следа» конкретного продукта, как правило, означает количество выбросов диоксида углерода (СО2) в течение изготовления конкретного продукта. Термин «уровень углеродного следа», обозначенный Fc, используется в настоящем документе для представления определенной меры уровня углеродного следа, при этом Fc представляет собой число единиц массы выбросов СО2 в течение изготовления одной единицы массы продукта. Значение Fc может быть вычислено как массовое соотношение полных выбросов СО2 в течение изготовления и конкретного продукта, полученного в течение изготовления, Fc = (масса выбросов СО2 в течение изготовления)/(масса изготовленного продукта). Следовательно, метод CVD имеет уровень углеродного следа Fc, составляющий приблизительно 600. Следующая техническая проблема в изготовлении композиционных материалов из цемента и углеродных нановолокон, таких как углеродные нанотрубки (CNT) заключается в том, что CNT, изготовленные методом CVD, могут иметь высокую степень переплетения и проявлять тенденцию к образованию агломератов в водной смеси, и, таким образом, оказывается затруднительным их равномерное диспергирование в бетоне. Неравномерное распределение CNT в составе бетона будет ухудшать целостность продукта и снижать эффективность использования армирующего материала.[0029] It has been recognized that carbon nanomaterials can be used to make composite materials having improved properties. However, traditional carbon nanomaterials with a high carbon footprint are expensive to manufacture and tend to form twisted and intertwined materials that do not meet the uniform dispersion requirement that high-quality composite materials satisfy. Until now, large-scale (industrial) production of carbon nanomaterials has been carried out through chemical vapor deposition (CVD) synthesis options. For example, typical conventional carbon nanotube (CNT) fabrication technologies use CVD synthesis. In the synthesis of CNT by CVD, as a rule, twisted and intertwined CNT are obtained, which do not facilitate simple mixing. Intertwined and twisted CNTs tend to form agglomerates in an aqueous mixture and thus are difficult to uniformly disperse in aqueous mixture composites such as cement or concrete. An uneven distribution of CNT in a cement or concrete formulation will compromise the integrity of the product and prevent effective use of the reinforcing material. CVD synthesis uses expensive organometallic compounds (or mixtures of metals and organic compounds) at low concentration and very high energy levels. This requires significant manufacturing costs resulting in a high market value (e.g. above US$100,000 per tonne of CNT and above US$1,000,000 per tonne of graphene. Thus, it would be impractical and uneconomical to use CVD-produced carbon nanotubes to manufacture In addition, the CVD method also has a high carbon footprint, for example, up to 600 tons of CO 2 emissions for the manufacture of one ton of carbon nanomaterials (see V. Khanna, B.R. Bakshi, LJ Lee, J. bid. Ecology, 12 (2008) 394-410) As used herein, the term "carbon footprint" of a particular product generally refers to the amount of carbon dioxide (CO 2 ) emitted during the manufacture of a particular product. ”, denoted F c , is used in this document to represent a specific measure of carbon footprint level, with F c represents the number of mass units of CO 2 emissions during the manufacture of one mass unit of the product. The value of F c can be calculated as the mass ratio of total CO 2 emissions during manufacture and the specific product obtained during manufacture, F c = (mass of CO 2 emissions during manufacture)/(mass of product manufactured). Therefore, the CVD method has a carbon footprint F c of approximately 600. A further technical problem in the manufacture of composite materials from cement and carbon nanofibers such as carbon nanotubes (CNT) is that CNTs produced by the CVD method can have a high degree of interlacing and tend to form agglomerates in the aqueous mixture, and thus it is difficult to uniformly disperse them in the concrete. Uneven distribution of CNT in the concrete composition will compromise the integrity of the product and reduce the effectiveness of the use of the reinforcing material.
[0030] Углеродный наноматериал с низким уровнем углеродного следа может быть изготовлен из расплавленного карбоната посредством электролиза при низкой стоимости и с применением СО2 в качестве реагента, например, в процессе синтеза C2CNT (присоединение СО2 к углеродным нанотрубкам). Однако технические проблемы препятствуют масштабированию способа, и сохраняется дефицит материала. Хотя в примерах C2CNT для CNT использован термин «прямые», в каждом примере синтезированных сгруппированных CNT показано, что они были очевидным образом переплетенными и скрученными или сцепленными, хотя и в меньшей степени скрученными, чем CNT, которые обозначены термином «переплетенные». Переплетенные и скрученные CNT проявляют тенденцию к образованию агломератов, и, таким образом, оказывается затруднительным равномерное диспергирование в композиционном материале. В примерах C2CNT термин «прямые» конкретно означает CNT, содержащие меньше дефектов sp3-связанных атомов углерода, причем переплетенные CNT содержат больше дефектов sp3. Примерные способы изготовления углеродных наноматериалов из расплавленных карбонатов посредством электролиза описаны, например, в следующих документах: Licht и др., «Преобразование парникового газа СО2 посредством электролиза расплава в широкое регулируемое разнообразие углеродных нанотрубок», J. СО2 Utilization, 2017, том 18, с. 335-344; Ren и др., «Однореакторный синтез углеродных нановолокон из СО2», Nano Lett., 2015, том 15, с. 6142-6148; Johnson и др., «Войлоки из углеродных нанотрубок, изготовленных непосредственно из СО2 посредством электролиза расплава: ориентированные на прибыль пути к уменьшению выбросов парникового газа (диоксида углерода)», Materials Today Energy, 2017, с. 230-236; Johnson и др., «Данные СЭМ, ПЭМ и спектров комбинационного рассеяния легированных и войлочных углеродных нанотрубок, изготовленных непосредственно из СО2 посредством электролиза расплава», Data in Brief, 2017, том 14, с. 592-606; Ren и др., «Отслеживание уменьшения выбросов СО2 в атмосферу и недорогостоящего преобразования в ценные углеродные нанотрубки», Scientific Reports, Nature, 2016, том 6, с. 1-10; Licht и др., «Углеродные нанотрубки, изготовленные из атмосферного диоксида углерода для устойчивых в окружающей среде анодов аккумуляторов на основе ионов лития и ионов натрия», ACS Cent. Sci., 2015, том 2, с. 162-168; Dey и др., «Как амальгамированный никелевый катод влияет на рост углеродных нанотрубок? Исследование по теории функционала плотности», RSC Adv., 2016, том 6, с. 27191-27196; Wu и др., «Однореакторный синтез наноструктурированного углеродного материала из диоксида углерода посредством электролиза в расплавленных карбонатных солях», Carbon, 2016, том 106, с. 208-217; Lau и др., «Термодинамическое исследование превращения СО2 в углеродное нановолокно для улавливания углерода на газовых или угольных электростанциях комбинированного цикла», Energy Convers. Manag., 2016, том 122, с. 400-410; Licht, «Изготовление композиции из цемента и углеродных нанотрубок с отрицательным уровнем углеродного следа», J. СО2 Utilization, 2017, том 18, с. 378-389; Ren и др., «Преобразование парникового газа СО2 посредством электролиза расплава в широкое регулируемое разнообразие углеродных нанотрубок», J. СО2 Utilization, 2017, том 18, с. 335-344; Licht и др., «Новый солнечный способ улавливания углерода: солнечное фототермоэлектрохимическое (STEP) улавливание углерода», J. Phys. Chem. Lett., 2010, том 1, с. 2363-2368; Licht, «Солнечное фототермоэлектрохимическое (STEP) получение энергетических молекул: солнечный химический способ предотвращения антропогенного глобального потепления», J. Phys. Chem. С, 2009, том 113, с. 16283-16292; Wang и др., «Исследование влияния катионов щелочных металлов на синтез углеродных нанотрубок из СО2 посредством электролиза в расплавленных электролитах», J. СО2 Utilization, 2019, том 34, с. 303-312; Liu и др., «Углеродные нанолуковицы, изготовленные непосредственно из СО2 путем электролиза расплава для уменьшения выброса парникового газа», Adv. Sustainable Syst, 2019, том 3, 1900056; Licht и др., «Улучшенное уменьшение выбросов парникового газа СО2 с применением C2CNT композиционных материалов, содержащих углеродные нанотрубки», Mater. Today Sustainability, 2019, том 6, 100023; патент США №9,758,881, автор Licht, название изобретения «Способ электросинтеза энергетических молекул»; патент США №9,683,297, автор Licht, название изобретения «Устройство для электролиза расплавленной соли с применением источника солнечной фотоэлектрической энергии и электролиза расплавленной соли с нагреванием солнечной тепловой энергии»; заявка на патент США №2019/0039040, автор Licht, название изобретения «Способы и системы для изготовления углеродных нановолокон»; международная патентная заявка WO 2016/138469, автор Licht, название изобретения «Способы и системы для изготовления углеродных нановолокон»; международная патентная заявка WO 2018/093942, автор Licht, название изобретения «Способы и системы для изготовления удлиненных углеродных нановолокон»; и международная патентная заявка WO 2018/156642, автор Licht, название изобретения «Способы и системы для изготовления легированных углеродных наноматериалов».[0030] Carbon nanomaterial with a low carbon footprint can be made from molten carbonate by electrolysis at low cost and using CO 2 as a reactant, for example, in the synthesis of C2CNT (addition of CO 2 to carbon nanotubes). However, technical problems hinder the scale-up of the process and material shortages remain. Although the CNTs used the term "straight" in the C2CNT examples, each example of synthesized bundled CNTs was shown to be clearly entangled and twisted or linked, albeit less twisted than the CNTs referred to as "entangled". Intertwined and twisted CNTs tend to form agglomerates, and thus it is difficult to uniformly disperse in the composite. In examples of C2CNTs, the term "straight" specifically means CNTs containing fewer sp 3 -bonded carbon defects, with entangled CNTs containing more sp 3 defects. Exemplary methods for the manufacture of carbon nanomaterials from molten carbonates via electrolysis are described, for example, in the following documents: Licht et al., "Conversion of greenhouse gas CO 2 via melt electrolysis into a wide controlled variety of carbon nanotubes", J. CO 2 Utilization, 2017, volume 18 , With. 335-344; Ren et al., “One-pot synthesis of carbon nanofibers from CO2”, Nano Lett., 2015, volume 15, p. 6142-6148; Johnson et al., Carbon Nanotube Felts Made Directly from CO 2 by Melt Electrolysis: Profitable Ways to Reduce Greenhouse Gas (Carbon Dioxide) Emissions, Materials Today Energy, 2017, p. 230-236; Johnson et al., “SEM, TEM and Raman data from doped and felt carbon nanotubes fabricated directly from CO 2 via melt electrolysis”, Data in Brief, 2017, volume 14, p. 592-606; Ren et al., Tracking Atmospheric CO2 Reduction and Inexpensive Conversion to Valuable Carbon Nanotubes, Scientific Reports, Nature, 2016, Volume 6, p. 1-10; Licht et al., "Carbon nanotubes fabricated from atmospheric carbon dioxide for environmentally stable lithium and sodium ion battery anodes", ACS Cent. Sci., 2015,
[0031] В кратком изложении аспект настоящего изобретения относится к способам изготовления композиционного материала с уменьшенными выбросами диоксида углерода, в которых композиционный материал с высоким уровнем углеродного следа изготовлен из легкодиспергируемого углеродного наноматериала (CNM) с низким уровнем углеродного следа. До работы, описанной в настоящем документе, полагали, что в результате массового производства можно было получать только CNM лишь с высоким уровнем углеродного следа и высокой стоимостью посредством переплетения. Можно были изготавливать и CNM с низким уровнем углеродного следа, но они также были переплетенными и непригодными для равномерного диспергирования в композиционном материале и массового производства. Неожиданно была обнаружена возможность массового производства непереплетенного CNM с низким уровнем углеродного следа и низкой стоимостью, который легко диспергируется в составе вещества с высоким уровнем углеродного следа, образуя композиционный материал с низким уровнем углеродного следа.[0031] Briefly, an aspect of the present invention relates to methods for manufacturing a carbon dioxide-reduced composite material, wherein the high carbon footprint composite material is made from a low carbon footprint, easily dispersed carbon nanomaterial (CNM). Prior to the work described herein, it was believed that only CNM could be mass-produced with only a high carbon footprint and high cost through weaving. Low carbon footprint CNMs could also be made, but they were also intertwined and unsuitable for uniform dispersion in the composite and mass production. Unexpectedly, it has been found possible to mass-produce non-woven CNM with a low carbon footprint and low cost, which is easily dispersed in a high carbon footprint material to form a low carbon footprint composite material.
[0032] Могут быть удобным образом получены углеродные наноматериалы, изготовленные из расплавленного карбоната посредством электролиза и имеющие относительно низкий уровень углеродного следа и относительно низкую стоимость по сравнению с углеродными наноматериалами, изготовленными с применением других традиционных технологий, таких как синтез методом химического осаждения из паровой фазы (CVD), пламенный синтез или плазменный синтез. Здесь низкая стоимость означает (i) стоимость по сравнению со стоимостью производства алюминия, которая составляет менее чем 2000 долларов США за тонну, и (ii) такую стоимость, что стоимость самой добавки CNM не составляет более чем стоимость немодифицированного вещества с высоким уровнем углеродного следа, используемого в композиционном материале. При этом высокая стоимость означает стоимость, которая составляет более чем 100000 долларов США за тонну или более чем 1000000 долларов США за тонну, что представляет собой типичную стоимость промышленного производства CNM методом химического осаждения из паровой фазы.[0032] Carbon nanomaterials made from molten carbonate by electrolysis can be conveniently produced and have a relatively low carbon footprint and relatively low cost compared to carbon nanomaterials made using other conventional technologies such as chemical vapor deposition synthesis. (CVD), flame fusion or plasma fusion. Here, low cost means (i) a cost compared to the cost of aluminum production, which is less than $2,000 per ton, and (ii) such a cost that the cost of the CNM additive itself is no more than the cost of an unmodified high carbon footprint, used in the composite material. Here, high cost means a cost that is more than US$100,000 per ton or more than US$1,000,000 per ton, which is a typical cost for industrial production of CNM by chemical vapor deposition.
[0033] Однако предшествующее производство CNM из расплавленного карбоната сопровождали технические проблемы, представляющие собой масштабирование, такое как масштабирование с применением электродов, имеющих промышленные размеры, взаимные соединения с применением высокой силы тока, совместимые с высокой температурой расплавленных карбонатов, и обращение с газообразным реагентом (СО2) в промышленных условиях. Кроме того, все предшествующие CNM, изготовленные методом синтеза из расплава, содержали переплетения, скрутки или перекрытия. Такие переплетения, скрутки или перекрытия представляют собой техническую проблему, которая препятствует легкому разделению и равномерному гомогенному диспергированию CNM, что является необходимым для получения однородного композиционного материала.[0033] However, the prior production of molten carbonate CNM has been accompanied by technical problems representing scaling, such as scaling using industrial size electrodes, high current interconnections compatible with the high temperature of molten carbonates, and handling gaseous reactant ( CO 2 ) in industrial conditions. In addition, all prior melt-synthesized CNMs have contained weaves, twists, or overlaps. Such weaves, twists, or overlaps present a technical problem that prevents the CNM from easily separating and uniformly dispersing homogeneously, which is necessary to obtain a homogeneous composite material.
[0034] Как представлено на фиг. 1А, новые условия с применением электролиза в расплавленном карбонате позволяют изготавливать CNM, в которых отсутствуют переплетения, скрутки или перекрытия. Изготовление CNM с применением электролиза в расплавленном карбонате обеспечивает существенное регулирование получаемого CNM посредством регулирования условий электролиза, включая выбор материала электрода, состава электролита и температуры. Как представлено на фиг. 1А, в новых условиях, включая температуру 740°С и электролит, содержащий (в мас. %) 73% Li2CO3, 17% Na2CO3 и 10% LiBO2, с применением катода из свинцовистой латуни и анода из инконеля получаются однородные прямые углеродные нанотрубки. Здесь представлено полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) изображение продукта CNT. Продукт CNT получен с высокий кулоновской эффективностью, составляющей 97,5% (97,5% применяемого заряда расходуется на получение массы CNT в расчете на четырехэлектронное восстановление СО2).[0034] As shown in FIG. 1A, new conditions using molten carbonate electrolysis allow CNMs to be made that are free of weaves, twists, or overlaps. The manufacture of CNM using molten carbonate electrolysis provides significant control over the CNM produced by controlling the electrolysis conditions, including selection of electrode material, electrolyte composition, and temperature. As shown in FIG. 1A, under new conditions, including a temperature of 740°C and an electrolyte containing (in wt.%) 73% Li 2 CO 3 , 17% Na 2 CO 3 and 10% LiBO 2 using a lead brass cathode and an inconel anode homogenous straight carbon nanotubes are obtained. Shown here is a Scanning Electron Microscope (SEM) image of a CNT product. The CNT product was obtained with a high Coulomb efficiency of 97.5% (97.5% of the applied charge is spent on obtaining the mass of CNT based on the four-electron reduction of CO 2 ).
[0035] Представленные на фиг. 1А непереплетенные CNT были гидрофобными, но способными легко и равномерно диспергироваться в воде, что упрощала кратковременная ультразвуковая обработка. После смешивания водной суспензии равномерно диспергированных CNT с портландцементом из полученной в результате смеси можно было легко отливать композиционные материалы типа CNT-цемент, причем для получения композиционного материала типа CNT-цемент в портландцемент добавляли 0,048 мас. % изготовленных CNT. Согласно наблюдениям с применением менее чем 0,75 единицы массы композиционного материала можно было обеспечить такую же механическую прочность, как в случае 1 единицы массы чистого цемента, что составляло уменьшение массы по меньшей мере на 25%. Уменьшение массы цемента, представляющего собой вещество с высоким уровнем углеродного следа, из которого получали композиционный материал такой же прочности, добавляя CNM с низким уровнем углеродного следа, обеспечивало снижение потребления цемента в производстве и уменьшало выбросы диоксида углерода для изготовления композиционного материала по отношению к веществу с высоким уровнем углеродного следа.[0035] Shown in FIG. 1A, the non-entangled CNTs were hydrophobic, but capable of being readily and uniformly dispersed in water, facilitating short-term sonication. After mixing an aqueous slurry of uniformly dispersed CNT with Portland cement, the resulting mixture could easily be cast into CNT-cement type composite materials, and 0.048 wt. % manufactured by CNT. It has been observed that using less than 0.75 mass units of composite material it was possible to achieve the same mechanical strength as in the case of 1 mass unit of pure cement, which amounted to a weight reduction of at least 25%. Reducing the mass of cement, which is a high carbon footprint substance from which a composite material of the same strength was made, by adding CNM with a low carbon footprint, provided a reduction in cement consumption in production and reduced carbon dioxide emissions for the manufacture of a composite material in relation to a substance with high carbon footprint.
[0036] Согласно предпочтительному варианту осуществления объединяют вещество с высоким уровнем углеродного следа и углеродный наноматериал с низким уровнем углеродного следа, изготавливая композиционный материал с уменьшением выбросов диоксида углерода по отношению к веществу с высоким уровнем углеродного следа. Согласно предпочтительному варианту осуществления этот углеродный наноматериал с низким уровнем углеродного следа является пригодным для промышленного масштабирования и изготовления непереплетенных углеродных наноматериалов. Согласно более предпочтительному варианту осуществления это вещество с высоким уровнем углеродного следа представляет собой конструкционный материал, такой как цемент, металл, лесоматериал и. т.д. Согласно более предпочтительному варианту осуществления это вещество с высоким уровнем углеродного следа представляет собой электрический проводник, стекло, керамический материал, бумагу, полимер или пластмассу, картонный многослойный материал, изолятор или гипсокартон.[0036] In a preferred embodiment, a high carbon footprint substance and a low carbon footprint carbon nanomaterial are combined to form a carbon dioxide reduction composite material relative to the high carbon footprint substance. In a preferred embodiment, this carbon nanomaterial with a low carbon footprint is suitable for industrial scale-up and fabrication of non-entangled carbon nanomaterials. In a more preferred embodiment, this high carbon footprint substance is a structural material such as cement, metal, timber, etc. etc. In a more preferred embodiment, this high carbon footprint substance is an electrical conductor, glass, ceramic, paper, polymer or plastic, paperboard laminate, insulator, or drywall.
[0037] Термин «низкий уровень углеродного следа» в настоящем документе означает уровень углеродного следа, которому соответствует значение Fc≤10. Процессы или изготовленные продукты, не создающие выбросы СО2 или обеспечивающие чистое потребление СО2, также считаются имеющими низкий уровень углеродного следа, и при этом Fc≤0.[0037] The term "low carbon footprint" in this document means the level of carbon footprint, which corresponds to the value of F c ≤10. Processes or manufactured products that do not emit CO 2 or provide net consumption of CO 2 are also considered to have a low carbon footprint and F c ≤0.
[0038] В производстве CNM из расплавленного карбоната посредством электролиза СО2 расходуется в качестве реагента, и, таким образом, получается отрицательный уровень углеродного следа.[0038] In the production of CNM from molten carbonate by electrolysis, CO 2 is consumed as a reactant, and thus a negative carbon footprint is obtained.
[0039] Авторами настоящего изобретения было признано, что все отмеченные выше недостатки, представляющие собой высокую стоимость, отрицательное воздействие на окружающую среду, и технические трудности, вероятно, способствуют ограниченному применению углеродных наноматериалов, изготовленных с применением метода CVD и других аналогичных традиционных технологий в товарных и промышленных приложениях.[0039] It has been recognized by the present inventors that all of the above disadvantages of high cost, environmental impact, and technical difficulties are likely to contribute to the limited use of carbon nanomaterials made using the CVD method and other similar conventional technologies in commercial and industrial applications.
[0040] Когда углеродные наноматериалы добавляют в конструкционный материал, такой как бетонный или металлический конструкционный материал, получаемый в результате композиционный материал может иметь улучшенные механические свойства, такие как улучшенная прочность при растяжении, сжатии и изгибе. Например, было продемонстрировано, что углеродные нанотрубки (CNT) имеют прочность при растяжении, составляющую вплоть до приблизительно 93900 МПа, и посредством добавления в цемент небольшого количества CNT, составляющего, например, менее чем 0,05 мас. %, менее чем 0,8 мас. % или менее чем 1 мас. %, могут быть изготовлены содержащие углеродные нанотрубки и цемент композиционные материалы (CNT-цемент), имеющие значительно улучшенные механические свойства. Например, значения прочности при растяжении, сжатии и изгибе композиционного материала могут превышать соответствующие значения для немодифицированного цемента, причем в типичном случае это превышение составляет, например, 45%.[0040] When carbon nanomaterials are added to a structural material, such as concrete or metal structural material, the resulting composite material may have improved mechanical properties, such as improved tensile, compressive, and flexural strength. For example, it has been demonstrated that carbon nanotubes (CNT) have a tensile strength of up to about 93,900 MPa, and by adding a small amount of CNT to the cement, for example, less than 0.05 wt. %, less than 0.8 wt. % or less than 1 wt. %, composite materials containing carbon nanotubes and cement (CNT-cement) having significantly improved mechanical properties can be produced. For example, the tensile, compressive, and flexural strengths of the composite material may exceed those of unmodified cement, typically being as high as 45%, for example.
[0041] На фиг. 2 проиллюстрирован примерный способ S10 согласно варианту осуществления настоящего изобретения.[0041] FIG. 2 illustrates an exemplary method S10 according to an embodiment of the present invention.
[0042] Как представлено на этом изображении, вещество с высоким уровнем углеродного следа получают на стадии S12. В качестве примера, вещество может представлять собой конструкционный материал, который используется, главным образом, для обеспечения физической структуры или опоры физической структуры в целях обеспечения механических свойств материала, в отличие от других его свойств, таких как электрические, магнитные, электромагнитные или химические свойства. Обычные конструкционные материалы представляют собой бетон, цемент, строительный раствор, цементный раствор, металлы, такие как сталь, алюминий, железо, магний, титан или сплавы, лесоматериал, плотная бумага или картон, пластические материалы, композиционные материалы и. т.д. Следует отметить, что в некоторых приложениях конструкционный материал может быть выбран с учетом других его свойств в дополнение к его механическим свойствам.[0042] As shown in this image, a substance with a high carbon footprint is obtained in step S12. By way of example, a substance may be a structural material that is primarily used to provide a physical structure or to support a physical structure in order to provide the mechanical properties of the material as opposed to its other properties such as electrical, magnetic, electromagnetic, or chemical properties. Common construction materials are concrete, cement, mortar, cement mortar, metals such as steel, aluminum, iron, magnesium, titanium or alloys, timber, thick paper or cardboard, plastic materials, composite materials, etc. etc. It should be noted that, in some applications, the material of construction may be selected for other properties in addition to its mechanical properties.
[0043] Конструкционный материал, получаемый на стадии S12, может быть получен, изготовлен или обеспечен с применением любой технологии, включая традиционные технологии, известные специалистам в данной области техники.[0043] The structural material obtained in step S12 may be obtained, manufactured or provided using any technology, including conventional technologies known to those skilled in the art.
[0044] Например, цемент может быть изготовлен с применением сухого или мокрого способа. Согласно некоторым вариантам осуществления цемент может быть изготовлен посредством регулируемого химического сочетания кальция, кремния, алюминия, железа и других ингредиентов, известных специалистам в данной области техники. Ингредиенты, используемые для изготовления цемента, могут представлять собой известняк, ракушечник и мел или мрамор, с которыми сочетаются сланец, глина, аспидный сланец, доменный шлак, кварцевый песок и железная руда. Указанные ингредиенты можно нагревать при высоких температурах, получая камневидное вещество, которое затем размалывают в тонкий порошок для изготовления цемента. Бетон содержит добавки агрегатов, включая песок, летучую золу или молотый камень.[0044] For example, cement can be made using a dry process or a wet process. In some embodiments, the cement may be made by controlled chemical combination of calcium, silicon, aluminium, iron, and other ingredients known to those skilled in the art. The ingredients used to make cement can be limestone, shell rock, and chalk or marble, combined with slate, clay, slate, blast furnace slag, quartz sand, and iron ore. These ingredients can be heated at high temperatures to form a stone-like substance which is then ground into a fine powder to make cement. Concrete contains aggregate additives including sand, fly ash or ground stone.
[0045] В типичном способе изготовления цемента и/или бетона тонкоизмельченные исходные материалы или суспензию исходных материалов, смешанных с водой, можно вводить в обжиговую печь через верх обжиговой печи. В нижней части обжиговой печи присутствует пламя, которое может быть получено посредством точно регулируемого сжигания угольного порошка, нефтепродукта или других видов топлива, включая газообразное, под воздействием принудительной вентиляции. Когда материалы проходят через обжиговую печь, определенные элементы удаляются в газообразном состоянии, а остальные элементы соединяются, образуя клинкер, который извлекают или выпускают из обжиговой печи и охлаждают. Охлажденный клинкер можно измельчать и смешивать с небольшими количествами гипса и известняка. В сухом способе исходные материалы измельчают, не смешивая их с водой. В мокром способе исходные материалы измельчают с добавлением воды перед введением в обжиговую печь. При нагревании известняк высвобождает диоксид углерода. При прокаливании известняка, обработке и сжигании топлива высвобождается парниковый газ (диоксид углерода), который сопровождает производство цемента и бетона.[0045] In a typical process for making cement and/or concrete, finely divided raw materials or a suspension of raw materials mixed with water may be introduced into the kiln through the top of the kiln. At the bottom of the kiln, there is a flame that can be produced by precisely controlled combustion of powdered coal, oil or other fuels, including gaseous, under the influence of forced ventilation. As the materials pass through the kiln, certain elements are removed in the gaseous state, and the remaining elements combine to form clinker, which is removed or discharged from the kiln and cooled. Cooled clinker can be crushed and mixed with small amounts of gypsum and limestone. In the dry method, the raw materials are ground without mixing them with water. In the wet process, the raw materials are ground with the addition of water before being introduced into the kiln. Limestone releases carbon dioxide when heated. Calcining limestone, processing and burning fuels releases greenhouse gas (carbon dioxide) that accompanies the production of cement and concrete.
[0046] Конструкционные материалы на основе металлов или сплавов также могут быть изготовлены согласно известным технологиям. Как и в случае цемента или бетона, хотя конструкционные материалы на основе металлов или сплавов широко известны вследствие своего распространенного применения в строительстве, транспорте, а также содержании и упаковке товаров, составляющие их вещества имеют высокий уровень углеродного следа, что вносит свой вклад в глобальное потепление и изменение климата.[0046] Structural materials based on metals or alloys can also be manufactured according to known technologies. As with cement or concrete, although metal or alloy based structural materials are widely known due to their widespread use in construction, transportation, and the containment and packaging of goods, their constituent substances have a high carbon footprint, which contributes to global warming. and climate change.
[0047] Углеродный наноматериал получают на стадии S14. Углеродный наноматериал не изготавливают с применением традиционных технологий, таких как CVD, дуговой разряд или лазерная абляция, которые имеют высокие уровни углеродного следа, но изготавливают способом, имеющим низкий уровень углеродного следа, которому соответствуют значения Fc≤10, такие как Fc≤5, Fc≤3, Fc≤1 или Fc≤0. Согласно некоторым вариантам осуществления Fc<0, и при этом углеродный наноматериал изготавливают с чистым потреблением СО2. Согласно некоторым вариантам осуществления Fc составляет от 0 до 1.[0047] The carbon nanomaterial is obtained in step S14. The carbon nanomaterial is not manufactured using traditional technologies such as CVD, arc discharge or laser ablation, which have high carbon footprint levels, but is manufactured in a manner having a low carbon footprint, which corresponds to F c ≤10, such as F c ≤5 , Fc ≤3 , Fc ≤1 or Fc ≤0 . In some embodiments, F c <0 and the carbon nanomaterial is manufactured with a net consumption of CO 2 . In some embodiments, F c is between 0 and 1.
[0048] На стадии S16 объединяют вещество с высоким уровнем углеродного следа, полученное на стадии S12, и углеродный наноматериал с низким уровнем углеродного следа, полученный на стадии S14, чтобы изготовить более прочный композиционный материал, для которого требуется меньшее количество исходного вещества с высоким уровнем углеродного следа.[0048] In step S16, the high carbon footprint material obtained in step S12 and the low carbon footprint carbon nanomaterial obtained in step S14 are combined to produce a stronger composite material that requires less high carbon footprint starting material. carbon footprint.
[0049] Для целей сравнения на фиг. 3 проиллюстрированы возможные способы 20 с различными возможными путями 21, 31, 41, 51, 61 и 71 для получения композиционных материалов и проблемы ранее существовавших путей 21, 31, 41 для получения композиционных материалов, содержащих углеродные наноматериалы в целях снижения уровня углеродного следа, а также устранение препятствий для получения вещества с менее высоким уровнем углеродного следа, которое может быть изготовлено согласно варианту осуществления настоящего изобретения, например, с применением путей 51, 61 и 71.[0049] For comparison purposes, in FIG. 3 illustrates
[0050] В частности, на возможном пути 21 могут быть объединены вещество с высоким уровнем углеродного следа и углеродный наноматериал с низким уровнем углеродного следа в точке 22. Однако путь 21 препятствует, как показывает крест (X) в точке 23, получению композиционного материала с менее высоким уровнем углеродного следа в точке 24, поскольку высокий уровень углеродного следа одновременно имеют вещество с повышенным уровнем углеродного следа и углеродный наноматериал. Таким образом, у специалиста в данной области техники будет отсутствовать мотивация к выбору пути 21 для изготовления композиционного материала с менее высоким уровнем углеродного следа в точке 24.[0050] In particular, a high carbon footprint substance and a carbon nanomaterial with a low carbon footprint at point 22 can be combined in
[0051] На возможном пути 31 могут быть объединены вещество с высоким уровнем углеродного следа и дорогостоящий углеродный наноматериал в точке 32. Однако высокая стоимость лишает специалиста в данной области техники мотивации к выбору пути 31, и специалист в данной области техники в технике не будет мотивирован к выбору пути 31, как показывает крест (X) в точке 33, чтобы получить композиционный материал с менее высоким уровнем углеродного следа в точке 34.[0051] The
[0052] Как проиллюстрировано, на возможном пути 41 углеродные наноматериалы, изготовленные с применением традиционной технологии в точке 42, которые проявляют тенденцию к переплетению и не могут быть равномерно диспергированы в составе вещества с высоким уровнем углеродного следа, не являются подходящими для изготовления вещества с менее высоким уровнем углеродного следа из вещества с высоким уровнем углеродного следа в точке 44, как показывает крест (X) в точке 43. Следует понимать, что равномерное диспергирование углеродного наноматериала может обеспечивать улучшенные свойства композиционных материалов, содержащих CNM. Однако CNM, изготавливаемые в больших количествах с применением существующих традиционных технологий, как правило, оказываются агломерированными или переплетенными, что, таким образом, делает их непригодными для диспергирования.[0052] As illustrated, in an
[0053] В целях сравнения, согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения можно выбирать один или несколько из путей 51, 61, 71 для снижения уровня углеродного следа в процессе производства.[0053] For comparison purposes, according to some embodiments of the present invention, one or more of the
[0054] Согласно некоторым вариантам осуществления, описанным в настоящем документе, недорогостоящий композиционный материал с низким уровнем углеродного следа может быть изготовлен посредством выбора пути 51. Согласно пути 51 в точке 57 могут быть объединены вещество с высоким уровень углеродного следа и углеродный наноматериал с низким уровнем углеродного следа, изготовленный в точке 52, для изготовления более прочного композиционного материала в точке 57, что уменьшает количество вещества с высоким уровнем углеродного следа, используемое для достижения такой же прочности. Уменьшение используемого количества вещества с высоким уровнем углеродного следа приводит к уменьшению выбросов диоксида углерода при использовании вещества с высоким уровнем углеродного следа в изготовлении композиционного материала с менее высоким уровнем углеродного следа в точке 57 по сравнению с исходным веществом с высоким уровнем углеродного следа. Различные факторы или технологические стадии при изготовлении углеродного наноматериала в точке 52 могут способствовать снижению уровня углеродного следа в процессе производства. Например, как показано в точке 53, снижение уровня углеродного следа при изготовлении углеродного наноматериала может быть достигнуто при изготовлении углеродного наноматериала с применением СО2 в качестве реагента. Как показано в точке 54, более высокая реакционная способность может вносить свой вклад в снижение уровня углеродного следа в процессе производства. Как показано в точке 55, технологическая стадия, для которой требуется меньше энергии, и/или уменьшается энергия высвобождения диоксида углерода, может способствовать снижению уровня углеродного следа в процессе производства.[0054] According to some embodiments described herein, a low cost composite material with a low carbon footprint can be made by selecting
[0055] На пути 61 объединяют вещество с высоким уровнем углеродного следа и недорогостоящий углеродный наноматериал, который изготавливают в точке 62 при низкой стоимостью изготовления, для изготовления композиционного материала 64 с низким уровнем углеродного следа. Путь 61 может обеспечивать менее дорогостоящий композиционный материал 64 с повышенной прочностью, что также уменьшает используемое количество вещества с высоким уровнем углеродного следа для достижения такой же прочности и снижает уровень углеродного следа композиционного материала по сравнению с исходным веществом с высоким уровнем углеродного следа.[0055]
[0056] На пути 71 объединяют вещество с высоким уровнем углеродного следа и углеродный наноматериал, изготовленный в точке 72 и модифицированный для улучшения конкретного свойства композиционного материала, содержащего CNM, для изготовления композиционного материала в точке 74. Примерные модифицированные CNM могут представлять собой легированный бором CNM для улучшения электрической проводимости, а также прочности содержащего CNM композиционного материала, при этом толстостенные CNT улучшают прочность при сжатии содержащего CNT композиционного материала, или длинные CNT улучшают прочность при изгибе содержащего CNT композиционного материала. Модифицированные CNM и вещество с высоким уровнем углеродного следа могут быть объединены для изготовления желательного композиционного материала с пониженным уровнем углеродного следа в точке 74.[0056]
[0057] Углеродный наноматериал может быть изготовлен в форме углеродных нановолокон, таких как замкнутые волокна или углеродные нанотрубки (CNT) наполненные твердыми частицами, представляющими собой сплошные нановолокна. Углеродные нанотрубки (CNT) могут представлять собой одностенные CNT (SWCNT) или многостенные CNT (MWCNT). Углеродные нановолокна могут быть соответствующим образом непереплетенными, т.е. у них может отсутствовать переплетение, или может присутствовать низкая степень переплетения по причинам, которые будут обсуждены далее.[0057] The carbon nanomaterial can be made in the form of carbon nanofibers, such as closed fibers or carbon nanotubes (CNT) filled with solid particles that are continuous nanofibers. Carbon nanotubes (CNTs) can be single-walled CNTs (SWCNTs) or multi-walled CNTs (MWCNTs). The carbon nanofibers may be suitably non-entangled, ie. they may lack weave, or may have a low degree of weave, for reasons to be discussed later.
[0058] Согласно некоторым вариантам осуществления углеродный наноматериал может представлять собой углеродные нановолокна, имеющие среднее соотношение характеристических размеров от 10 до 1000. Углеродные нановолокна могут иметь толщину от 3 нм до 999 нм.[0058] In some embodiments, the carbon nanomaterial may be carbon nanofibers having an average aspect ratio of 10 to 1000. The carbon nanofibers may have a thickness of 3 nm to 999 nm.
[0059] Согласно некоторым вариантам осуществления углеродный наноматериал может содержать углеродные нанолуковицы, углеродный нанокаркас, углеродные нанопластинки или графен.[0059] In some embodiments, the carbon nanomaterial may comprise carbon nanoonions, a carbon nanoframework, carbon nanoplates, or graphene.
[0060] Согласно некоторым вариантам осуществления углеродный наноматериал, изготовленный на стадии S14, может представлять собой сочетание различных форм, включая формы, которые описаны выше.[0060] In some embodiments, the carbon nanomaterial made in step S14 may be a combination of different shapes, including those described above.
[0061] На фиг. 4 проиллюстрирована примерная система 100 для изготовления углеродных нанотрубок из расплавленного карбоната посредством электролиза. Следует рассмотреть также аналогичные системы, описанные более подробно в международных патентных заявках WO 2017/066295 и WO 2016/138469.[0061] FIG. 4 illustrates an
[0062] Расплавленный карбонат может представлять собой карбонат лития или литийсодержащий карбонат. Расплавленные карбонаты, такие как карбонат лития Li2CO3, который имеет температуру плавления 723°С, или более легкоплавкие карбонаты, такие как LiBaCaCO3, имеющий температуру плавления 620°С, при смешивании с высокорастворимыми оксидами, такими как Li2O и ВаО, способствуют быстрой абсорбции СО2 из высвобождаемого в атмосферу СО2. Подходящие карбонаты могут представлять собой карбонаты щелочных и щелочноземельных металлов. Карбонаты щелочных металлов могут представлять собой карбонаты лития, натрия, калия, рубидия, цезия или франция, или соответствующие смеси. Карбонаты щелочноземельных металлов могут представлять собой карбонаты бериллия, магния, кальция, стронция, бария или радия, или соответствующие смеси.[0062] The molten carbonate may be lithium carbonate or lithium-containing carbonate. Molten carbonates, such as lithium carbonate Li 2 CO 3 , which has a melting point of 723°C, or lower melting carbonates, such as LiBaCaCO 3 , which has a melting point of 620°C, when mixed with highly soluble oxides such as Li 2 O and BaO , contribute to the rapid absorption of CO 2 from CO 2 released into the atmosphere. Suitable carbonates may be alkali and alkaline earth metal carbonates. The alkali metal carbonates may be lithium, sodium, potassium, rubidium, cesium or francium carbonates, or mixtures thereof. The alkaline earth metal carbonates may be beryllium, magnesium, calcium, strontium, barium or radium carbonates, or mixtures thereof.
[0063] В карбонате повышенная концентрация активных центров восстанавливаемых четырехвалентных атомов углерода вблизи активной восстановительной зоны на катоде уменьшает энергию и упрощает перенос заряда, что приводит к высокой скорости восстановления карбоната в процессе электролиза при низких потенциалах. Можно барботировать СО2 в расплавленный карбонат, компенсируя превращение карбоната в углерод, и в течение электролиза кислород высвобождается на аноде, в то время как твердый углерод осаждается на катоде. Получаемый в результате твердый углерод может представлять собой углеродные наноматериалы, такие как углеродные нановолокна или углеродные нанотрубки.[0063] In carbonate, an increased concentration of active sites of reducible tetravalent carbon atoms near the active reduction zone on the cathode reduces energy and facilitates charge transfer, which leads to a high rate of reduction of carbonate during electrolysis at low potentials. It is possible to bubble CO 2 into the molten carbonate, compensating for the conversion of carbonate to carbon, and during electrolysis, oxygen is released at the anode while solid carbon is deposited at the cathode. The resulting solid carbon may be carbon nanomaterials such as carbon nanofibers or carbon nanotubes.
[0064] Переходный металл в качестве зародышеобразователя может быть добавлен в течение электролиза расплавленного карбоната. Переходный металл создает центры зародышеобразования, которые обеспечивают рост углеродных наноматериалов. Примерные переходные металлы в качестве зародышеобразователя представляют собой никель, железо, кобальт, медь, титан, хром, марганец, цирконий, молибден, серебро, кадмий, ванадий, олово, рутений или соответствующие смеси.[0064] A transition metal as a nucleating agent may be added during electrolysis of the molten carbonate. The transition metal creates nucleation sites that enable the growth of carbon nanomaterials. Exemplary transition metals as nucleating agents are nickel, iron, cobalt, copper, titanium, chromium, manganese, zirconium, molybdenum, silver, cadmium, vanadium, tin, ruthenium, or appropriate mixtures.
[0065] Система 100 производит углеродные наноматериалы из расплавленных карбонатных материалов и вводимого СО2. В системе 100 присутствуют карбонатная печь 102, электролитическая камера 104 и коллектор 106. Хотя печь 102, электролитическая камера 104 и коллектор 106 представлены как отдельные компоненты на фиг. 2, они могут присутствовать и интегрироваться в составе единой физической конструкции. Электролитическая камера 104 содержит камеру 110, в которой находится расплавленный карбонат, полученный посредством нагревания карбоната в печи 102. Анод 112 и катод 114 подключены к источнику энергопитания 116. Анод 112 и катод 114 вставлены в камеру 110. В расплавленный карбонат вводят СО2 из источника СО2 118. Газообразный СО2 поступает в расплавленный карбонат, чтобы реагировать с оксидом и производить, а не расходовать карбонат в ходе общей электролитической реакции, в которой СО2 превращается в О2 на аноде 112 и углеродные наноматериалы на катоде 114.[0065]
[0066] Любой источник СО2 может быть использован в качестве источника СО2 118. Например, атмосферный воздух может представлять собой источник СО2. Выбросы газов из разнообразных установок или химических реакторов могут представлять собой источники СО2. Например, электростанции, парогенераторные установки или пиролитические реакторы могут высвобождать СО2. Диоксид углерода, высвобождаемый из системы 100 или производства вещество с высоким уровнем углеродного следа, также может быть использован в качестве источника СО2.[0066] Any source of CO 2 can be used as a source of
[0067] Согласно некоторым вариантам осуществления в течение эксплуатации карбонатная печь 102 нагревает карбонат, такой как чистый Li2CO3, до соответствующей температуры плавления с получением расплавленного карбоната. Переходный металл добавляют через диспергатор, который может представлять собой анод, служащий в качестве зародышеобразователя. Расплавленный карбонат подвергают электролизу посредством помещения между анодом 112 и катодом 114 в электролитической камере 104. Происходящая в результате реакция отделяет углерод от карбоната и оставляет углеродный продукт на катоде 114 из центров зародышеобразования. Получаемый углеродный продукт собирают в коллекторе 106, в то время как кислород производят на аноде 112.[0067] In some embodiments, during operation,
[0068] Согласно некоторым вариантам осуществления расплавленный карбонат может представлять собой карбонат лития (Li2CO3), и оксид металла может представлять собой оксид лития (Li2O). Углеродный наноматериал, такой как углеродные нанотрубки, может быть изготовлен в ходе реакции, представленной следующим уравнением:[0068] In some embodiments, the molten carbonate may be lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) and the metal oxide may be lithium oxide (Li 2 O). Carbon nanomaterial, such as carbon nanotubes, can be made by the reaction represented by the following equation:
[0069] Атмосферный СО2 быстро и экзотермически растворяется в электролите, вступая в химическую реакцию с оксидом лития, где вновь образуется Li2CO3:[0069] Atmospheric CO 2 quickly and exothermically dissolves in the electrolyte, entering into a chemical reaction with lithium oxide, where Li 2 CO 3 is again formed:
[0070] Электролиз согласно уравнению (1) производит Li2O, который обеспечивает непрерывную абсорбцию CO2 согласно уравнению (2). В результате сочетания реакций согласно уравнениям (1) и (2) СО2 разлагается посредством электролиза, образуя углеродные наноматериалы и кислород согласно суммарной реакции:[0070] Electrolysis according to equation (1) produces Li 2 O, which provides continuous absorption of CO 2 according to equation (2). As a result of the combination of reactions according to equations (1) and (2), CO 2 is decomposed by electrolysis, forming carbon nanomaterials and oxygen according to the overall reaction:
[0071] Как показывает уравнение (3), CO2 разлагается с высвобождением кислорода, в то время как твердый углерод образуется на катоде 114.[0071] As shown by equation (3), CO 2 decomposes to release oxygen, while solid carbon is formed at the
[0072] Согласно другим вариантам осуществления вместо карбоната лития могут быть использованы различные карбонаты или смеси карбонатов. В таких случаях уравнения (1) и (2) могут быть соответствующим образом модифицированы, но уравнение (3) может оставаться неизменным, как могут понимать специалисты в данной области техники.[0072] In other embodiments, various carbonates or mixtures of carbonates can be used instead of lithium carbonate. In such cases, Equations (1) and (2) may be modified accordingly, but Equation (3) may remain unchanged, as will be understood by those skilled in the art.
[0073] Переходные металлы, такие как Ni или Cr, могут быть добавлены в качестве зародышеобразователей в целях образования CNM. Добавляемый переходный металл может составлять менее чем 0,1 мас. % продукта. Переходный металл или зародышеобразователь может быть добавлен в электролит или на катод 114, или он может быть добавлен посредством выщелачивания с анода 112.[0073] Transition metals such as Ni or Cr may be added as nucleating agents to form CNM. The transition metal added may be less than 0.1 wt. % product. The transition metal or nucleating agent may be added to the electrolyte or
[0074] Печь и электролитическая камера в системе 100 могут получать энергию от любого источника энергопитания или сочетания источников энергопитания, включая электрические источники энергопитания и солнечные источники энергопитания. Нагревание обеспечивает экзотермическая реакция абсорбции диоксида углерода и превращения в карбонат.[0074] The furnace and electrolytic cell in
[0075] Изготовленные углеродные наноматериалы могут содержать нановолокна, такие как структуры нанотрубок. Например, углеродные нановолокна могут быть изготовлены на катоде 114, когда анод 112 представляет собой никелевый анод, и электролиз проводят при не вызывающей коррозию пониженной температуре 630°С с применением Li1,6Ва0,3Са0,1СО3 в качестве электролита.[0075] Manufactured carbon nanomaterials may contain nanofibers, such as nanotube structures. For example, carbon nanofibers can be made on the
[0076] Изготовленные углеродные наноматериалы также могут иметь аморфные и пластинчатые структуры. Например, когда анод 112 представляет собой платиновый анод (в котором отсутствует никель и никелевое покрытие) и карбонат Li2CO3 нагревают до температуры, составляющей приблизительно 730°С, могут образовываться углеродные пластинки, которые частично образует многослойный графен/графит, и которые могут содержать более чем 99 мас. % углерода.[0076] Manufactured carbon nanomaterials can also have amorphous and lamellar structures. For example, when the
[0077] Как описано в процитированной выше литературе, тип и характеристики углеродного наноматериала, изготовленного с применением системы 100, могут зависеть от и, таким образом, регулироваться посредством изменения силы электрического тока, состава электролита, температуры реакции, вязкости электролита, количества присутствующего переходного материала, а также материалов катода и анода.[0077] As described in the literature cited above, the type and characteristics of the carbon nanomaterial made using the
[0078] Например, анод 112 может содержать платину, иридий и никель. В содержащих карбонат лития электролитах коррозия никеля на аноде 112 является медленной и представляет собой функцию плотности анодного тока, продолжительности электролиза, температуры, вязкости и концентрации оксида лития.[0078] For example,
[0079] Соответственно, при изготовлении углеродных нановолокон из расплавленных карбонатов и CO2 посредством электролиза могут образовываться однородные углеродные нановолокна, которые могут соответствующим образом равномерно диспергироваться в составе конструкционного материала, как будет описано далее. В частности, в литературе было показано, что присутствие никеля на аноде 112 можно регулировать таким образом, что никель может выступать в качестве зародышеобразователя, чтобы упрощать образование однородных углеродных нановолокон.[0079] Accordingly, in the manufacture of carbon nanofibers from molten carbonates and CO 2 by electrolysis, uniform carbon nanofibers can be formed, which can be suitably uniformly dispersed in the composition of the structural material, as will be described later. In particular, it has been shown in the literature that the presence of nickel at the
[0080] Кроме того, было показано, что углеродные нановолокна, изготовленные посредством электролиза в чистом расплавленном Li2CO3 без добавления Li2O, могут быть устойчиво непереплетенными, однородными и длинными. Получаемые в результате углеродные нановолокна могут представлять собой однородные нанотрубки, имеющие ширину от 0,3 до 1 мкм и длину от 20 до 200 мкм, и при этом соотношение характеристических размеров составляет от приблизительно 20 до приблизительно 600.[0080] In addition, it has been shown that carbon nanofibers made by electrolysis in pure molten Li 2 CO 3 without the addition of Li 2 O can be stably unentangled, uniform and long. The resulting carbon nanofibers may be uniform nanotubes having a width of 0.3 to 1 µm and a length of 20 to 200 µm, with an aspect ratio of about 20 to about 600.
[0081] Добавки могут быть введены в расплавленный электролит для регулирования свойств изготавливаемых углеродных наноматериалов. Некоторые добавки, такие как никель, могут выступать не только в качестве зародышеобразователей, но также в качестве наполнителей в изготавливаемых полых нанотрубках. Добавки, которые не представляют собой оксиды и соли переходных металлов также могут выступать в качестве наполнителей или покрытий углеродных наноматериалов, или они могут быть использованы для регулирования вязкости электролитов. Например, неорганические алюминатные и силикатные соли отличаются высокой растворимостью в расплавленном карбонате лития. Высокие концентрации неорганических алюминатных или силикатных солей могут увеличивать вязкость электролита.[0081] Additives can be introduced into the molten electrolyte to control the properties of the manufactured carbon nanomaterials. Some additives, such as nickel, can act not only as nucleating agents, but also as fillers in fabricated hollow nanotubes. Additives that are not transition metal oxides and salts can also act as fillers or coatings on carbon nanomaterials, or they can be used to control the viscosity of electrolytes. For example, inorganic aluminate and silicate salts are highly soluble in molten lithium carbonate. High concentrations of inorganic aluminate or silicate salts can increase the viscosity of the electrolyte.
[0082] Как описано выше, при высоком приложенном напряжении электролиза, которое обычно превышает приблизительно 3 В в течение электролиза, могут образовываться металлический литий, металлический алюминий или кремний на поверхности или в объеме углеродных наноматериалов.[0082] As described above, at high applied electrolysis voltage, which typically exceeds about 3 V during electrolysis, lithium metal, aluminum metal, or silicon can form on the surface or in the bulk of the carbon nanomaterials.
[0083] Наноматериалы различных типов могут быть произведены посредством регулирования процесса электролиза, условий и материалов, присутствующих в электролите и на аноде. Например, как описано в литературе, прямые и непереплетенные углеродные нанотрубки могут быть изготовлены из расплавленного карбонатного электролита, если отсутствуют добавки Li2O в течение электролиза. С другой стороны, переплетенные углеродные нанотрубки могут образовываться, если Li2O добавляют в расплавленный карбонатный электролит в течение изготовления. Условия диффузии в течение электролитического разложения СО2 в расплавленном карбонате лития можно изменять, чтобы регулировать получаемые углеродные нановолокна, которые могут представлять собой сплошные волокна (наполненные нановолокна) или полые углеродные нанотрубки. Концентрации оксида и переходного металла можно изменять, чтобы дополнительно регулировать образование переплетенных или прямых (непереплетенных) волокон. Для цели соответствующего равномерного диспергирования углеродных наноматериалов в конструкционном материале более желательными оказываются однородные непереплетенные нановолокна, которые имеют более однородные размеры и могут быть изготовлены с применением системы 100.[0083] Various types of nanomaterials can be produced by controlling the electrolysis process, the conditions and materials present in the electrolyte and at the anode. For example, as described in the literature, straight and non-entangled carbon nanotubes can be made from a molten carbonate electrolyte if there is no addition of Li 2 O during electrolysis. On the other hand, entangled carbon nanotubes can be formed if Li 2 O is added to the molten carbonate electrolyte during manufacture. Diffusion conditions during the electrolytic decomposition of CO 2 in molten lithium carbonate can be varied to control the resulting carbon nanofibers, which can be solid fibers (filled nanofibers) or hollow carbon nanotubes. The oxide and transition metal concentrations can be varied to further control the formation of interlaced or straight (non-interlaced) fibers. For the purpose of adequately dispersing the carbon nanomaterials uniformly in the structural material, uniform non-entangled nanofibers that are more uniform in size and can be produced using
[0084] Источник энергопитания для системы 100 может представлять собой источник электроэнергии, такой как источник электроэнергии, которую производит угольная, газовая, солнечная, ветровая, гидротермальная или атомная электростанция. В качестве альтернативы источникам электроэнергии, производимой традиционными методами, углеродный наноматериал может быть изготовлен с применением электрического тока, производимого солнечной батареей.[0084] The power source for
[0085] Могут быть использованы альтернативные источники СО2, которые могут содержать оксиды изотопов углерода 12С, 13С или 14С, или соответствующую смесь. Например, 12СО2 может оказаться подходящим для изготовления полых углеродных нанотрубок в определенных условиях. В аналогичных условиях добавление более тяжелого 13СО2 в расплавленный карбонат может упрощать образование углеродных нановолокон со сплошной сердцевиной.[0085] Alternative sources of CO 2 may be used, which may contain oxides of carbon isotopes 12 C, 13 C or 14 C, or an appropriate mixture. For example, 12 CO 2 may be suitable for making hollow carbon nanotubes under certain conditions. Under similar conditions, adding heavier 13 CO 2 to the molten carbonate can facilitate the formation of solid core carbon nanofibers.
[0086] Атмосферный СО2 был использован для изготовления многостенных углеродных нанотрубок согласно способу, который описан в настоящем документе.[0086] Atmospheric CO 2 was used to make multi-walled carbon nanotubes according to the method described herein.
[0087] Посредством регулирования условий электролиза изготовленный продукт может, в качестве альтернативы, содержать аморфные графиты или графены.[0087] By adjusting the electrolysis conditions, the manufactured product may alternatively contain amorphous graphites or graphenes.
[0088] Согласно некоторым вариантам осуществления система 100 на фиг. 2 может быть использована для преобразования газообразного СО2 растворенных в расплавленном карбонатном электролите посредством электролиза на никелевом аноде и на оцинкованном стальном катоде. На аноде 112 продукт представляет собой О2, и на катоде 114 продукт содержит однородные углеродные нановолокна, который могут представлять собой углеродные нанотрубки. Углеродные нанотрубки могут оказаться предпочтительными, если электролиз осуществляют при пониженных значениях плотности тока в расплавленных карбонатных электролитах без добавления Li2O.[0088] In some embodiments,
[0089] Аморфный углерод может быть изготовлен на стальном катоде без применения переходного металла на аноде. Посредством применения покрытого цинком (оцинкованного) стального катода и анода из непереходного металла в электролизе могут быть изготовлены сферические углеродные наноматериалы. Посредством применения покрытого цинком (оцинкованного) стального катода и анода из непереходного металла в электролизе с высоким содержанием железа от оксида железа, растворенного в электролите можно изготавливать аморфный углерод, а также широкое разнообразие углеродных наноструктур на катоде.[0089] Amorphous carbon can be made on a steel cathode without using a transition metal on the anode. By using a zinc coated (galvanized) steel cathode and a non-transition metal anode, spherical carbon nanomaterials can be produced in electrolysis. Through the use of a zinc coated (galvanized) steel cathode and a non-transition metal anode in high iron electrolysis from iron oxide dissolved in the electrolyte, amorphous carbon can be produced, as well as a wide variety of carbon nanostructures on the cathode.
[0090] Металлический цинк на катоде может снижать энергию образования углерода и способствовать инициированию процесса образования углеродных нанотрубок или углеродных нановолокон. Присутствие металлического цинка может выступать в качестве благоприятного содействия, поскольку оно является энергетически достаточным, чтобы одновременно активировать (i) самопроизвольное образование твердого углерода из карбоната и (ii) самопроизвольное образование зародышей металлического катализатора, которые способствуют инициированию регулируемого роста структуры углеродных наноматериалов в зоне зародышеобразования. В результате этого цинк упрощает последующую высокую скорость роста углеродного наноматериала из СО2, растворенного в расплавленном карбонате.[0090] Zinc metal at the cathode can reduce the energy of carbon formation and help initiate the formation of carbon nanotubes or carbon nanofibers. The presence of zinc metal can act as a beneficial aid, as it is energetically sufficient to simultaneously activate (i) spontaneous formation of solid carbon from carbonate and (ii) spontaneous formation of metal catalyst nuclei, which contribute to the initiation of controlled growth of the structure of carbon nanomaterials in the nucleation zone. As a result, the zinc facilitates the subsequent high rate of growth of the carbon nanomaterial from CO 2 dissolved in the molten carbonate.
[0091] Катод 114 и анод 112 могут принимать любое число форм. Например, анод 112 и катод 114 могут представлять собой проволочную спираль, сетку, пористый материал, проводящую пластину, или плоскую или гофрированную шайбу. Они также могут образовывать внутренние стороны электролитической камеры 104.[0091]
[0092] Кроме того, следует отметить, что согласно некоторым вариантам осуществления, когда относительно высокая плотность электрического тока приложена в процессе электролиза, аморфный углерод и разнообразные углеродные наноструктуры образуются с более высокой вероятностью. Когда первоначальная низкая плотность электрического тока и последующая высокая плотность электрического тока приложены в сочетании с присутствием Li2O в расплавленном карбонатном электролите, на катоде 114 получается высокий выход однородных, но скрученных углеродных нановолокон с высокой вероятностью. Когда первоначальная низкая плотность электрического тока и последующая высокая плотность электрического тока приложены в сочетании с расплавленным карбонатным электролитом, в котором отсутствует Li2O, на катоде 114 получается высокий выход однородных прямых углеродных нановолокон или углеродных нанотрубок.[0092] In addition, it should be noted that, according to some embodiments, when a relatively high electric current density is applied during electrolysis, amorphous carbon and various carbon nanostructures are more likely to form. When an initial low current density and a subsequent high current density are applied in combination with the presence of Li 2 O in the molten carbonate electrolyte, a high yield of uniform but twisted carbon nanofibers is obtained at the
[0093] В качестве краткого резюме, в течение электролиза СО2 для изготовления углеродных наноматериалов осаждение переходного металла может регулировать зародышеобразование и морфологию углеродной наноструктуры. Диффузия может регулировать образование углеродных нанотрубок, которые растут вследствие природной доступности СО2 или углеродных нановолокон из морфологических форм с изотопом 13С. Электролитический оксид регулирует образование переплетенных нанотрубок из имеющего высокое содержание Li2O расплавленного карбонатного электролита или прямых нанотрубок, когда в расплавленном карбонатном электролите отсутствует добавленный Li2O.[0093] As a brief summary, during CO 2 electrolysis to make carbon nanomaterials, transition metal deposition can control the nucleation and morphology of the carbon nanostructure. Diffusion can regulate the formation of carbon nanotubes that grow due to the natural availability of CO 2 or carbon nanofibers from 13 C isotope morphologies. no added Li 2 O.
[0094] На аноде 112 может быть добавлен переходный металл, такой как никель, который может растворяться на аноде 112 и мигрировать через электролит к катоду 114. Добавленный переходный металл может функционировать в качестве зародышеобразователя, и в качестве этого металла могут быть выбраны никель, железо, кобальт, медь, титан, хром, марганец, цирконий, молибден, серебро, кадмий, ванадий, олово, рутений или соответствующие смеси. Переходный металл также может быть введен в форме растворенной соли переходного металла непосредственно в электролит для миграции на катод 114. Кроме того, оказывается возможным добавление переходного металла в качестве зародышеобразователя непосредственно на катод 114.[0094] A transition metal such as nickel may be added at the
[0095] Имеющие низкий уровень углеродного следа CNT ранее были дефицитными вследствие технических проблем, связанных с масштабированием, и возможность массового производства оставалась недоказанной. Ранее изготовление CNM из расплавленного карбоната вызывало технические проблемы, представляющие собой масштабирование, такое как масштабирование с применением электродов, имеющих промышленные размеры, взаимные соединения с применением высокой силы тока, совместимые с высокой температурой расплавленных карбонатов, и обращение с газообразным реагентом (СО2) в промышленных условиях. На фиг. 5 представлены фотографии здания установки C2CNT для ежедневной переработки 2 тонн СО2. Технические проблемы газоперерабатывающей установки могут быть преодолены посредством теплообмена между поступающим топочным газом в качестве источника СО2 и отходящим газом, в котором отсутствует СО2. Имеющие промышленные размеры электроды и выдерживающие высокую температуру взаимные соединения находятся в эксплуатации. Система перерабатывает топочный газ от соседней электростанции, использующей природный газ и имеющей мощность 860 МВт, в энергетическом центре Shepard (Калгари, провинция Альберта, Канада).[0095] Low-carbon CNTs have previously been in short supply due to technical problems associated with scaling, and mass production has remained unproven. Previously, the manufacture of CNM from molten carbonate has caused technical problems presenting scaling, such as scaling using industrial size electrodes, high current interconnections compatible with the high temperature of molten carbonates, and handling gaseous reactant (CO 2 ) in industrial conditions. In FIG. 5 shows photographs of the building of the C2CNT plant for the daily processing of 2 tons of CO 2 . The technical problems of the gas processing plant can be overcome by heat exchange between the incoming flue gas as a source of CO 2 and the exhaust gas, which is free of CO 2 . Industrial-sized electrodes and high-temperature interconnects are in service. The system processes flue gas from a nearby 860 MW natural gas power plant at the Shepard Power Center in Calgary, Alberta, Canada.
[0096] Вследствие стоимости, энергопотребления и сложности промышленного синтеза CNT, обычно изготавливаемых с применением вариантов метода химического осаждения из паровой фазы, в настоящее время стоимость производства составляет приблизительно 100 тысяч долларов США (от 85 до 450 тысяч долларов США) за тонну без применения СО2 в качестве реагента. Эта высокая стоимость лишает мотивации к их применению в качестве добавки для сокращения выбросов СО2 при изготовлении конструкционных материалов и уводит достижения предшествующего уровня техники от любой концептуализации настоящего изобретения. Все компоненты электролитического преобразования СО2 в графен с применением расплавленного карбоната имеют низкую стоимость. Это преобразование содержит многочисленные аналогии с производством алюминия и может быть сопоставимо по стоимости с этим развитым промышленным производством. В 19 веке алюминий имел более высокую стоимость, чем золото, но занимал незначительный рынок. Однако в результате изменения химической технологии в настоящее время алюминий имеет низкую стоимость и занимает массовый рынок. В обоих процессах присутствует высокая плотность электрического тока, происходит электрохимическое восстановление оксида в расплавленном электролите, и не используются благородные или экзотические материалы. Электролиз СО2 в расплавленном карбонате с получением углеродных наноматериалов легко масштабируется с линейной зависимостью от площади используемых для электролиза электродов, что упрощает аналогичный крупномасштабный синтез графена. Для электролитического производства алюминия применяется и расходуется угольный анод, который высвобождает диоксид углерода, в то время как для электролитического производства углеродных наноматериалов в расплавленных карбонатах анод не расходуется, но высвобождает кислород. Стоимость производства алюминия составляет 1880 на тонну, и 52% этой стоимости приходится на боксит и углерод; в то время как при электролизе в расплавленном карбонате углерод не расходуется в качестве реагента, и в качестве реагента, подлежащего восстановлению, используется не имеющий никакой стоимости оксид (СО2, а не добываемый боксит). В случае электролиза СО2 в расплавленном карбонате такие затраты, как обжиговые печи, электроды и электролит, являются сопоставимыми, но все же меньшими по сравнению с промышленным производством алюминия.[0096] Due to the cost, energy consumption, and complexity of commercial synthesis of CNTs, commonly made using variants of the chemical vapor deposition method, the current production cost is approximately $100,000 ($85,000 to $450,000) per tonne without the use of CO 2 as a reagent. This high cost discourages their use as a CO 2 reduction additive in the manufacture of structural materials and removes the prior art from any conceptualization of the present invention. All components of the electrolytic conversion of CO 2 to graphene using molten carbonate are of low cost. This transformation contains numerous analogies with aluminum production and can be comparable in cost to this advanced industrial production. In the 19th century, aluminum had a higher value than gold, but held a small market. However, as a result of changes in chemical technology, aluminum is now low cost and occupies the mass market. Both processes have high electrical current density, electrochemical reduction of oxide in the molten electrolyte, and do not use noble or exotic materials. The electrolysis of CO 2 in molten carbonate to produce carbon nanomaterials is easily scaled with a linear dependence on the area of the electrodes used for electrolysis, which simplifies a similar large-scale synthesis of graphene. The electrolytic production of aluminum uses and consumes a carbon anode that releases carbon dioxide, while the electrolytic production of carbon nanomaterials in molten carbonates does not consume an anode but releases oxygen. The cost of aluminum production is 1880 per ton, and 52% of this cost comes from bauxite and carbon; while in molten carbonate electrolysis, no carbon is consumed as a reactant, and the costless oxide (CO 2 rather than mined bauxite) is used as the reactant to be reduced. In the case of electrolysis of CO 2 in molten carbonate, costs such as kilns, electrodes, and electrolyte are comparable, but still less, compared to commercial aluminum production.
[0097] Помимо более высокого уровня углеродного следа, в производстве алюминия требуется более высокий уровень физического воздействия на окружающую среду. В производстве алюминия присутствует жидкий алюминий, который имеет более высокую плотность по сравнению с плотностью фторидного электролита, и поэтому производимый алюминий удобно собирать с горизонтального электрода, в то время как углеродный нанопродукт осаждается на катоде, который, таким образом, может быть установлен вертикально в конфигурации с низким уровнем физического воздействия. Электролитический процесс изготовления углеродного наноматериала в расплавленном карбонате осуществляют в несколько более мягких условиях при температуре, составляющей приблизительно от 700 до 800°С, в менее экзотическом расплавленном карбонатном электролите при аналогичных уровнях производительности, но при потенциале от 0,8 В до менее чем 2 В по сравнению с потенциалом электролиза, превышающим 4 В в случае алюминия.[0097] In addition to a higher level of carbon footprint, aluminum production requires a higher level of physical environmental impact. In aluminum production, liquid aluminum is present, which has a higher density compared to the density of the fluoride electrolyte, and therefore the produced aluminum is conveniently collected from a horizontal electrode, while the carbon nanoproduct is deposited on the cathode, which can thus be installed vertically in a configuration with low physical impact. The electrolytic process for making carbon nanomaterial in molten carbonate is carried out under slightly milder conditions at a temperature of approximately 700 to 800°C in a less exotic molten carbonate electrolyte at similar performance levels, but at a potential of 0.8 V to less than 2 V compared to the electrolysis potential exceeding 4 V in the case of aluminium.
[0098] Следовательно, 1000 долларов США представляет собой обоснованную оценку верхнего предела стоимости промышленного производства углерода в форме графена посредством электролиза диоксида углерода в расплавленных карбонатах, исключая стоимость анода и отслаивания, которая подлежит определению. Эта стоимость является значительно ниже, чем современная цена графена, и может представлять собой значительный стимул для применения парникового газа (диоксида углерода) в качестве реагента для изготовления углерода в форме графена. Это может представлять собой пригодный для применения путь, который поможет прекратить антропогенный углеродный цикл и смягчить изменение климата.[0098] Therefore, $1,000 is a reasonable upper limit estimate for the cost of industrial production of carbon in the form of graphene by electrolysis of carbon dioxide in molten carbonates, excluding anode and peeling costs, which are to be determined. This cost is significantly lower than the current price of graphene and could represent a significant incentive to use the greenhouse gas (carbon dioxide) as a reactant to make carbon in the form of graphene. This could represent a viable pathway to help stop the anthropogenic carbon cycle and mitigate climate change.
[0099] Для описанного выше способа изготовления углеродных наноматериалов могут быть использованы различные источники СО2. Например, источник СО2 может представлять собой воздух или сжатый СО2. Источник СО2 может представлять собой концентрированный СО2, такой как СО2, который присутствует в дымовой трубе или дымоходе, включая вытяжные трубы, а также в промышленных дымовых трубах, используемых, например, в производстве железа и стали, алюминия, цемента, аммиака, потребительских изделий и строительных материалов, а также в транспортной отрасли.[0099] Various sources of CO 2 can be used for the method of manufacturing carbon nanomaterials described above. For example, the CO 2 source may be air or compressed CO 2 . The source of CO 2 can be concentrated CO 2 such as CO 2 that is present in a chimney or chimney, including chimneys, as well as in industrial chimneys used, for example, in the production of iron and steel, aluminum, cement, ammonia, consumer products and building materials, as well as in the transport industry.
[00100] Другой источник СО2 может представлять собой горячий СО2, производимый в течение сжигания топлива на электростанции, работающей на ископаемом топливе. В такой системе электроэнергия и углеродные наноматериалы могут быть произведены без выбросов СО2. Часть электростанции, работающей на ископаемом топливе, производит электроэнергию для процесса электролиза. Продукт электролиза (О2) может быть возвращен на электростанцию, работающую на ископаемом топливе.[00100] Another source of CO 2 may be hot CO 2 produced during the combustion of fuel in a fossil fuel power plant. In such a system, electricity and carbon nanomaterials can be produced without CO 2 emissions. Part of the fossil fuel power plant produces electricity for the electrolysis process. The electrolysis product (O 2 ) can be returned to the fossil fuel power plant.
[00101] В качестве альтернативы, второй источник электроэнергии, в котором отсутствуют выбросы СО2, такой как источник возобновляемой или производимой на ядерном топливе электроэнергии, может быть использован для энергопитания процесс электролиза, и продукт электролиза (О2) может быть возвращен на электростанцию, работающую на ископаемом топливе.[00101] Alternatively, a second source of electricity that does not emit CO 2 , such as a renewable or nuclear power source, can be used to power the electrolysis process, and the electrolysis product (O 2 ) can be returned to the power plant, running on fossil fuels.
[00102] Таким образом, некоторые варианты осуществления настоящего изобретения относятся к способу изготовления конструкционных материалов с низким уровнем углеродного следа. Способ включает получение конструкционного материала, получение армирующего материала, содержащего углеродный наноматериал (CNM) с низким уровнем углеродного следа, получаемый с уровнем углеродного следа, составляющим менее чем 10, и изготовление композиционного материала, содержащего конструкционный материал и от 0,001 мас. % до 25 мас. % углеродного наноматериала. Углеродный наноматериал равномерно диспергирован в композиционном материале. Согласно некоторым вариантам осуществления углеродный наноматериал изготавливают из расплавленного карбоната посредством электролиза вместе с кислородом и растворенным оксидом металла, как будет подробно описано ниже.[00102] Thus, some embodiments of the present invention relate to a method of manufacturing structural materials with a low carbon footprint. The method includes obtaining a structural material, obtaining a reinforcing material containing a carbon nanomaterial (CNM) with a low carbon footprint obtained with a carbon footprint of less than 10, and manufacturing a composite material containing a structural material and from 0.001 wt. % up to 25 wt. % carbon nanomaterial. The carbon nanomaterial is uniformly dispersed in the composite material. In some embodiments, the carbon nanomaterial is made from molten carbonate by electrolysis along with oxygen and dissolved metal oxide, as will be described in detail below.
[00103] Согласно некоторым вариантам осуществления электростанция может представлять собой источник С02, который выходит из дымовых труб и поступает в электролизер. Электролизер может содержать расплавленный электролит, такой как карбонат лития, а также металлический катод, который может представлять собой катод из меди, нержавеющей стали или медно-никелевого сплава (монель). Как описано выше, в процессе электролиза с применением переходного металла в качестве зародышеобразователя получают продукт, представляющий собой углеродный наноматериал, а также кислород. По сравнению с традиционными способами изготовления углеродные наноматериалы, описанный выше способ производит значительно меньший суммарный выпуск парниковых газов. Углеродный наноматериал может затем быть объединен с конструкционным материалом для изготовления композиционного материала, содержащего углеродный наноматериал.[00103] In some embodiments, the power plant may be a source of CO2 that exits the stacks and enters the cell. The cell may contain a molten electrolyte, such as lithium carbonate, as well as a metal cathode, which may be a copper, stainless steel, or cupro-nickel (monel) cathode. As described above, the electrolysis process using a transition metal as a nucleating agent produces a carbon nanomaterial product as well as oxygen. Compared to traditional methods of manufacturing carbon nanomaterials, the method described above produces a significantly lower total greenhouse gas emissions. The carbon nanomaterial can then be combined with a structural material to make a composite material containing the carbon nanomaterial.
[00104] Горячий кислород, представляющий собой продукт электролитической реакции, находит применение в разнообразных процессах в случае его извлечения. Извлекаемый кислород может затем быть использован в качестве исходного материала для изготовления разнообразных кислородсодержащих продуктов. Например, могут быть изготовлены разнообразные промышленные химические вещества и мономеры, такие как TiO2, оксиды этилена и пропилена, ацетальдегид, винилхлорид или винилацетат и капролактам. Кроме того, источник горячего кислорода может быть использован в качестве альтернативы воздуха в сжигании, в результате чего сокращается расход топлива, или производится более высокая температура горения.[00104] Hot oxygen, which is a product of an electrolytic reaction, finds use in a variety of processes if it is recovered. The recovered oxygen can then be used as a starting material for the manufacture of a variety of oxygen-containing products. For example, a variety of industrial chemicals and monomers such as TiO 2 , ethylene and propylene oxides, acetaldehyde, vinyl chloride or vinyl acetate, and caprolactam can be made. In addition, the hot oxygen source can be used as an alternative to combustion air, resulting in reduced fuel consumption or higher combustion temperatures.
[00105] Углеродные наноматериалы, которые синтезируют в процессе электролиза СО2, могут представлять собой углеродные нанотрубки, углеродные нановолокна, углеродные нанолуковицы, углеродные нано пластинки, углеродные нанокаркасы или графен. В каждом случае продукты могут быть синтезированы с высокой кулоновской эффективностью, составляющей более 95%, и в некоторых случаях чистота может составлять более 95%.[00105] The carbon nanomaterials that are synthesized by CO 2 electrolysis can be carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nano-onions, carbon nano-plates, carbon nano-frameworks, or graphene. In each case, products can be synthesized with high Coulomb efficiencies of over 95%, and in some cases the purity can be over 95%.
[00106] Когда используются углеродные нановолокна, они могут иметь соотношение характеристических размеров от 10 до 1000 и среднюю толщину от 3 до 999 нм. Непереплетенные CNT с высоким соотношением характеристических размеров могут быть легко диспергированы в воде под действием ультразвука с образованием однородной дисперсии.[00106] When carbon nanofibers are used, they can have an aspect ratio of 10 to 1000 and an average thickness of 3 to 999 nm. High aspect ratio non-entangled CNTs can be easily dispersed in water by sonication to form a uniform dispersion.
[00107] Условия электролиза можно регулировать, чтобы изготавливать CNT выбранной однородной толщины, имеющие скрученную или прямую удлиненную форму; или чтобы изготавливать толстые прямые CNT.[00107] The electrolysis conditions can be controlled to produce CNTs of selected uniform thickness, having a twisted or straight elongated shape; or to make thick straight CNTs.
[00108] Согласно некоторым вариантам осуществления переплетенные CNT длиной от 5 до 8 мкм можно выращивать на медном катод, добавляя в электролит никелевый порошок в качестве зародышеобразователя, чтобы обеспечить центры зародышеобразования для роста CNT. Электролиз может быть осуществлен в течение различных периодов времени, составляющих, например, 15, 30 или 90 минут, для получения углеродных нановолокон различной толщины, например, тонкостенные (~20 нм), среднестенные (~47 нм) или толстостенные (~116 нм) CNT. Многостенные CNT могут проявлять отличительный для графеновых слоев характеристический зазор, составляющий 0,335 нм между концентрическими цилиндрическими стенками. Путем непосредственного нанесения никелевого порошка на медный катод перед электролизом прямые CNT длиной от 5 до 10 мкм могут быть получены на никелевых центрах зародышеобразования.[00108] In some embodiments, intertwined CNTs 5 to 8 µm long can be grown on a copper cathode by adding nickel powder as a nucleating agent to the electrolyte to provide nucleation sites for CNT growth. Electrolysis can be carried out for various periods of time, for example, 15, 30 or 90 minutes, to obtain carbon nanofibers of various thicknesses, for example, thin-walled (~20 nm), medium-walled (~47 nm) or thick-walled (~116 nm) CNT. Multi-walled CNTs can exhibit a characteristic gap of 0.335 nm, characteristic of graphene layers, between concentric cylindrical walls. By directly depositing nickel powder on a copper cathode prior to electrolysis, straight CNTs of 5 to 10 µm in length can be obtained on nickel nucleation centers.
[00109] Согласно некоторым вариантам осуществления, в качестве альтернативы, когда используют продолжительный заряд, катод из сплава монель и электролиз, индуцированный никелем и хромом в качестве зародышеобразователей, могут быть изготовлены очень длинные CNT, имеющие длину от 200 до 2000 мкм.[00109] In some embodiments, alternatively, when using continuous charge, a monel alloy cathode, and electrolysis induced by nickel and chromium as nucleators, very long CNTs having a length of 200 to 2000 µm can be made.
[00110] Согласно некоторым вариантам осуществления в результате синтеза в течение 5 часов с применением латунного катода в разнообразных регулируемых условиях может быть изготовлен продукт, представляющий собой углеродные нанотрубки, включая сгруппированные, прямые или утолщенные CNT.[00110] In some embodiments, 5 hours of synthesis using a brass cathode under a variety of controlled conditions can produce a carbon nanotube product, including bundled, straight, or thickened CNTs.
[00111] Согласно некоторым вариантам осуществления цемент и углеродные нанотрубки могут быть изготовлены совместно в установке с отрицательным уровнем углеродного следа (Fc<0), например, как описано в статье Licht, «Совместное изготовление цемента и углеродных нанотрубок с отрицательным уровнем углеродного следа», J. CO2 Utilization, 2017, том 18, с. 378-389.[00111] In some embodiments, cement and carbon nanotubes can be co-manufactured in a negative carbon footprint (F c < 0) facility, such as as described in Licht, "Co-production of cement and carbon nanotubes with a negative carbon footprint" , J. CO 2 Utilization, 2017, volume 18, p. 378-389.
[00112] Способ, описанный в настоящем документе, можно масштабировать, чтобы изготавливать в больших количествах имеющие товарную ценность продукты и побочные продукты.[00112] The process described herein can be scaled up to produce commercially valuable products and by-products in large quantities.
[00113] Снова рассмотрим фиг. 1, где на стадии S106 конструкционный материал и углеродный наноматериал смешивают или объединяют с получением композиционного материала.[00113] Consider again FIG. 1, where in step S106 the structural material and the carbon nanomaterial are mixed or combined to form a composite material.
[00114] Может быть использовано широкое разнообразие способов для введения описанных выше CNM в желательный конструкционный материал. Содержание однородной дисперсии CNM в составе конструкционного материала может обеспечивать улучшенные механические свойства получаемого в результате композиционного материала.[00114] A wide variety of methods can be used to introduce the CNMs described above into the desired structural material. The content of a homogeneous dispersion of CNM in the composition of the structural material can provide improved mechanical properties of the resulting composite material.
[00115] При упоминании в настоящем документе однородная дисперсия углеродного наноматериала в композиционном материале означает практически равномерное распределение углеродного наноматериала, такого как углеродные нановолокна, в объеме композиционного материала, в результате чего композиционный материал имеет практически однородные механические свойства в различных областях композиционного материала. Не является обязательным диспергирование наноматериала на молекулярном уровне или на уровне индивидуальных волокон в случае диспергирования нановолокон. В некоторых приложениях может быть допустимым ограниченное образование агрегатов или переплетение волокон в пределах небольших доменов, таких как домены, размеры которых составляют менее чем приблизительно 1000 мкм. Однако более крупные домены сосредоточения углеродных наноматериалов, неравномерно распределенных в композиционном материале, может вызывать дефекты материала или потерю прочности, или ограничивать эффективное применение армирующих материалов.[00115] As used herein, a uniform dispersion of carbon nanomaterial in a composite material means a substantially uniform distribution of carbon nanomaterial, such as carbon nanofibers, throughout the bulk of the composite material, resulting in the composite material having substantially uniform mechanical properties in various regions of the composite material. It is not necessary to disperse the nanomaterial at the molecular level or at the level of individual fibers in the case of dispersing nanofibers. In some applications, limited aggregation or entanglement of fibers within small domains, such as domains that are less than about 1000 microns, may be acceptable. However, larger concentration domains of carbon nanomaterials, unevenly distributed in the composite material, can cause material defects or strength loss, or limit the effective use of reinforcing materials.
[00116] Согласно некоторым вариантам осуществления конструкционный материал представляет собой цемент. Для введения CNM в цемент дисперсия CNM в жидкости на водной основе, такой как вода, может быть образована посредством добавления CNM в воду с последующим смешиванием в ванне с применением ультразвука для равномерного и однородного диспергирования CNM в жидкой смеси. Согласно некоторым вариантам осуществления может быть добавлено поверхностно-активное вещество для предотвращения агломерации CNM. После этого дисперсия CNM может быть добавлена в сухой цементный порошок вместе с дополнительным количеством воды, если это необходимо. Для полного диспергирования CNM в водной цементной смеси может быть использовано механическое смешивание, таким образом, что CNM равномерно диспергируется в смеси, и получаемый в результате композиционный материал будет содержать равномерно диспергированный CNM.[00116] In some embodiments, the construction material is cement. For incorporating CNM into cement, a dispersion of CNM in an aqueous liquid such as water can be formed by adding CNM to water, followed by mixing in a bath using ultrasound to uniformly and uniformly disperse the CNM in the liquid mixture. In some embodiments, a surfactant may be added to prevent agglomeration of the CNM. The CNM dispersion can then be added to the dry cement powder along with additional water if needed. Mechanical mixing can be used to completely disperse the CNM in the aqueous cement mixture such that the CNM is uniformly dispersed in the mixture and the resulting composite material will contain uniformly dispersed CNM.
[00117] Согласно некоторым вариантам осуществления равномерное диспергирование CNM в смеси может быть упрощено посредством ультразвуковой обработки, добавления поверхностно-активного вещества или перемешивания, или любого соответствующего сочетания. Соответственно, для ультразвуковой обработки не требуется значительный уровень углеродного следа.[00117] In some embodiments, uniform dispersion of the CNM in the mixture can be facilitated by sonication, addition of a surfactant, or agitation, or any appropriate combination. Accordingly, sonication does not require a significant level of carbon footprint.
[00118] Согласно некоторым вариантам осуществления описанные выше способы могут быть использованы для изготовления бетона, строительного раствора или цементного раствора, который содержит цемент и равномерно диспергированный CNM.[00118] In some embodiments, the methods described above can be used to make concrete, mortar, or cement slurry that contains cement and uniformly dispersed CNM.
[00119] Добавление 0,048 мас. % CNT может увеличивать на 45% прочность при растяжении цемента, бетона, строительного раствора или цементного раствора. Следовательно, для простого случая приложения усилия в одном направлении, например, чтобы имеющий меньшую толщину композиционный материал типа CNT-цемент выдерживал такую же нагрузку, 1 тонна CNT может заменить 938 тонн алюминия. Применение композиционного материала типа CNT-цемент, содержащего 1 тонну CNT в качестве заменителя цемента, может предотвратить выбросы 844 тонн СО2 в течение изготовления цемента или, аналогичным образом, бетона, строительного раствора или цементного раствора. На фиг. 12(A) проиллюстрирован этот способ уменьшения выбросов СО2 при изготовлении цемента посредством добавления углеродных нанотрубок, имеющих низкую стоимость или низкое значение Fc. Здесь представлено предотвращение значительных выбросов диоксида углерода посредством добавления углеродных нанотрубок, синтезированных из СО2, в содержащие CNT композиционные материалы типа CNT-цемент. На фиг. 12(B) представлено снижение выбросов диоксида углерода в случае CNT-Al. В последнем случае (В) наблюдается каскадный эффект, который происходит вследствие немодифицированного Al с высоким уровнем углеродного следа и способствует прекращению больших выбросов СО2.[00119] Adding 0.048 wt. % CNT can increase by 45% the tensile strength of cement, concrete, mortar or grout. Therefore, for a simple case of applying force in one direction, for example, for a thinner composite material such as CNT-cement to withstand the same load, 1 ton of CNT can replace 938 tons of aluminum. The use of a composite material of the CNT-cement type containing 1 ton of CNT as a cement substitute can prevent 844 tons of CO 2 emissions during the manufacture of cement or, similarly, concrete, mortar or grout. In FIG. 12(A) illustrates this method for reducing CO 2 emissions in cement production by adding carbon nanotubes having a low cost or low F c value. Presented here is the prevention of significant carbon dioxide emissions by adding carbon nanotubes synthesized from CO 2 to CNT-containing composite materials such as CNT-cement. In FIG. 12(B) shows the reduction in carbon dioxide emissions in the case of CNT-Al. In the latter case (B), there is a cascade effect that occurs due to high carbon footprint unmodified Al and contributes to the elimination of large CO 2 emissions.
[00120] Согласно некоторым вариантам осуществления конструкционный материал может представлять собой алюминий. Нагревательное устройство, такое как воздушный индукционный нагреватель, можно использовать для нагревания твердого алюминия до его плавления, после чего может быть добавлен CNM. Сильные конвективные токи обеспечивают хорошее диспергирование CNM в расплавленном алюминии, который затем можно разливать, получая слитки, или перерабатывать в конечный продукт. В этом способе кислород может быть исключен для предотвращения окисления CNM вследствие высоких температур. В качестве альтернативы, аналогичный композиционный материал может быть получен, в конечном счете, посредством добавления CNM в алюминиевый порошок. Смешивание двух материалов может быть осуществлено таким способом, как измельчение в шаровой мельнице с последующей горячей экструзией.[00120] In some embodiments, the construction material may be aluminum. A heating device such as an air induction heater can be used to heat solid aluminum until it melts, after which CNM can be added. The strong convective currents ensure that the CNM is well dispersed in the molten aluminum, which can then be cast into ingots or processed into a final product. In this method, oxygen can be excluded to prevent oxidation of the CNM due to high temperatures. Alternatively, a similar composite material can be obtained ultimately by adding CNM to aluminum powder. The mixing of the two materials can be carried out in a manner such as ball milling followed by hot extrusion.
[00121] Добавление 0,1 мас. % CNT может увеличивать на 37% прочность при растяжении алюминия. Следовательно, для простого случая приложения усилия в одном направлении, например, чтобы имеющий меньшую толщину композиционный материал типа CNT-Al в форме фольги выдерживал такую же нагрузку, 1 тонна CNT может заменить 370 тонн алюминия. Применение композиционного материала типа CNT-Al, содержащего 1 тонну CNT в качестве заменителя немодифицированного алюминия, может предотвратить на 4403 тонны выбросы СО2 в течение производства алюминия. На фиг. 12(B) проиллюстрирован этот способ уменьшения выбросов СО2 при изготовлении алюминия посредством добавления углеродных нанотрубок, имеющих низкую стоимость или низкое значение FC. Здесь представлено предотвращение значительных выбросов диоксида углерода посредством добавления углеродных нанотрубок, синтезированных из СО2, в содержащие CNT композиционные материалы типа CNT-алюминий, включая каскадный эффект, который происходит вследствие немодифицированного Al с высоким уровнем углеродного следа и способствует прекращению больших выбросов СО2.[00121] Adding 0.1 wt. % CNT can increase the tensile strength of aluminum by 37%. Therefore, for a simple case of applying force in one direction, for example, in order for a thinner composite material such as CNT-Al in the form of a foil to withstand the same load, 1 ton of CNT can replace 370 tons of aluminum. The use of a composite material of the CNT-Al type containing 1 ton of CNT as a substitute for unmodified aluminum can prevent 4403 tons of CO 2 emissions during aluminum production. In FIG. 12(B) illustrates this method for reducing CO 2 emissions in aluminum fabrication by adding carbon nanotubes having a low cost or low F C value. Here, the prevention of significant carbon dioxide emissions by adding carbon nanotubes synthesized from CO 2 to CNT-containing composite materials of the CNT-aluminum type is presented, including the cascade effect that occurs due to unmodified Al with a high carbon footprint and contributes to the elimination of large CO 2 emissions.
[00122] Согласно некоторым вариантам осуществления композиционный материал с низким уровнем углеродного следа может быть изготовлен с применением магния и CNM. Предполагается, что агломерация CNM должна уменьшать взаимодействие CNM и металла и, таким образом, предотвращать эффективное образование композиционных материалов типа магний-CNM. Эта проблема может быть решена посредством покрытия CNM никелем для обеспечения эффективного промежуточного слоя Mg2Ni между CNM и магнием. Посредством добавления 0,3 мас. % покрытых никелем CNT, композиционный материал типа CNT-магний может проявлять повышенную прочность при растяжении, например, повышенную на 39% по сравнению с чистым магнием. Замена магния композиционным материалом типа CNT-Mg при эквивалентной прочности может сократить выбросы СО2 на 1820 тонн в расчете на тонну CNT.[00122] In some embodiments, the low carbon footprint composite can be made using magnesium and CNM. It is believed that CNM agglomeration should reduce the interaction of CNM and metal and thus prevent efficient formation of magnesium-CNM type composite materials. This problem can be solved by nickel coating the CNM to provide an effective Mg 2 Ni intermediate layer between the CNM and magnesium. By adding 0.3 wt. % nickel-plated CNT, the CNT-magnesium type composite material can exhibit increased tensile strength, for example, increased by 39% compared to pure magnesium. Replacing magnesium with a composite material of the CNT-Mg type at equivalent strength can reduce CO 2 emissions by 1820 tonnes per ton CNT.
[00123] Производство композиционного материала с низким уровнем углеродного следа посредством применения металлов, имеющих повышенные температуры плавления, таких как титан, медь и сталь, может оказаться более проблематичным вследствие затруднений в достижении равномерного диспергирования CNM. Когда используемый металл представляет собой титан, может быть изготовлена предварительная смесь, содержащая порошок металлического титана, которую затем подвергают спеканию в плазме искрового разряда.[00123] The production of a composite material with a low carbon footprint through the use of metals having elevated melting points, such as titanium, copper and steel, may be more problematic due to the difficulty in achieving uniform dispersion of CNM. When the metal used is titanium, a premix containing titanium metal powder can be made, which is then subjected to spark plasma sintering.
[00124] Согласно некоторым вариантам осуществления металл для изготовления композиционного материала может представлять собой медь. Может быть изготовлена суспензия CNM в растворителе, и в суспензию CNM может быть добавлен медный порошок с образованием смеси. Эта смесь может быть подвергнута прокаливанию и восстановлению для изготовления порошка композиционный материал типа Cu-CNT, который содержит CNM, равномерно диспергированный в составе порошка. Согласно некоторым вариантам осуществления смесь может быть подвергнута спеканию, такому как спекание в плазме искрового разряда или микроволновое спекание, для изготовления композиционного материала.[00124] In some embodiments, the metal for making the composite may be copper. A CNM slurry in a solvent can be made, and copper powder can be added to the CNM slurry to form a mixture. This mixture can be calcined and reduced to make a Cu-CNT type composite powder that contains CNM uniformly dispersed in the powder composition. In some embodiments, the mixture may be sintered, such as spark plasma sintering or microwave sintering, to form a composite material.
[00125] Посредством равномерного диспергирования 1 мас. % CNT в меди в получаемом в результате композиционном материале типа Cu-CNT наблюдается увеличение на 207% прочности композиционного материала типа Cu-CNT. В таком композиционном материале 1 тонна CNT может пропорционально замещать 67 тонн меди, и при этом обеспечивается такая же механическая прочность, как у меди. Уровень углеродного следа в производстве меди варьируется по отрасли в широком диапазоне, но совокупное среднемировое значение составляет приблизительно 5 тонн СО2 на тонну Cu. В производстве меди посредством замещения эквивалентным композиционным материалом типа Cu-CNT выбросы СО2 в течение изготовления могут быть значительно сокращены. Например, можно предотвратить выбросы 337 тонн СО2, если 67 тонн меди замещает одна тонна CNT, причем при изготовлении каждой тонны меди выбросы СО2 составляют 5 тонн.[00125] By uniform dispersion of 1 wt. % CNT in copper, the resulting Cu-CNT type composite exhibits a 207% increase in the strength of the Cu-CNT type composite. In such a composite material, 1 tonne of CNT can proportionally replace 67 tons of copper, while still providing the same mechanical strength as copper. The carbon footprint of copper production varies widely across the industry, but the combined global average is approximately 5 tons of CO 2 per tonne of Cu. In copper production, by replacing with an equivalent Cu-CNT type composite material, CO 2 emissions during manufacture can be significantly reduced. For example, 337 tons of CO 2 could be avoided if 67 tons of copper were replaced by one ton of CNT, with each ton of copper emitting 5 tons of CO 2 .
[00126] Согласно некоторым вариантам осуществления конструкционный материал может представлять собой нержавеющую сталь. Можно добавлять CNM в твердой форме в стальной порошок, и при этом получаемую в результате смесь помещают в шаровую мельницу для измельчения и перемешивания ингредиентов друг с другом (в процессе измельчения в шаровой мельнице), после чего осуществляют спекание в плазме искрового разряда с получением композиционного материала. Массовое мировое годовое производство нержавеющей стали характеризует высокий уровень углеродного следа (FC=6,15), который включает выбросы 5,3 тонн СО2 для производства энергии, требуемой в целях изготовления одной тонны стали.[00126] In some embodiments, the construction material may be stainless steel. It is possible to add CNM in solid form to steel powder, and the resulting mixture is placed in a ball mill to grind and mix the ingredients with each other (in the process of grinding in a ball mill), and then perform spark plasma sintering to obtain a composite material . The massive annual production of stainless steel worldwide has a high carbon footprint (F C =6.15), which includes the emission of 5.3 tons of CO 2 to produce the energy required to make one ton of steel.
[00127] Композиционный материал типа CNT-нержавеющая сталь, содержащий 0,75 мас. % CNT, может проявлять прочность, повышенную на 37%. Таким образом, предполагается, что применение композиционного материала типа CNT-нержавеющая сталь для замещения нержавеющей стали может сократить выбросы СО2 на 302 тонны СО2 в расчете на тонну CNT.[00127] Composite material type CNT-stainless steel containing 0.75 wt. % CNT, can show strength increased by 37%. Thus, it is estimated that the use of a composite material such as CNT-stainless steel to replace stainless steel can reduce CO 2 emissions by 302 tons of CO 2 per ton of CNT.
[00128] Чистая энергия, требуемая для преобразования СО2 в CNT, составляет 2,0 МВт⋅ч на тонну СО2, реагирующего с образованием CNT (1,6 МВт⋅ч при 0,8 В).[00128] The net energy required to convert CO 2 to CNT is 2.0 MWh per tonne of CO 2 reacting to form CNT (1.6 MWh at 0.8 V).
[00129] Сокращение выбросов СО2, связанное с применением различных композиционных материалов, содержащих CNM и цемент, алюминий, магний, титан или нержавеющую сталь, и соответствующее улучшение механической прочности кратко представлены в таблице I.[00129] The reduction in CO 2 emissions associated with the use of various composite materials containing CNM and cement, aluminum, magnesium, titanium or stainless steel and the corresponding improvement in mechanical strength are summarized in Table I.
[00130] В последнем столбце таблицы I представлена чистая энергия, расходуемая при преобразовании СО2 в CNT посредством электролиза в расплавленном карбонате.[00130] The last column of Table I shows the net energy consumed in converting CO 2 to CNT by electrolysis in molten carbonate.
[00131] Согласно некоторым вариантам осуществления конструкционный материал может представлять собой полимер, такой как пластический полимер. Можно добавлять CNM в расплавленную пластмассу с последующим механическим перемешиванием для диспергирования CNM. После этого из композиционного материала может быть изготовлен конечный продукт таким способом, как инжекционное формование, раздувное формование или экструзия.[00131] In some embodiments, the construction material may be a polymer, such as a plastic polymer. It is possible to add CNM to the molten plastic followed by mechanical agitation to disperse the CNM. The composite material can then be formed into a final product by a process such as injection molding, blow molding or extrusion.
[00132] Согласно некоторым вариантам осуществления конструкционный материал может представлять собой лесоматериал. В качестве примера, можно добавлять CNM в твердой форме в течение изготовления древесноволокнистой плиты средней плотности (MDF). Посредством добавления твердого CNM в древесные волокна перед добавлением карбамидоформальдегидной смолы с последующим прессованием листов получается композиционный материал.[00132] In some embodiments, the structural material may be timber. As an example, CNM can be added in solid form during the manufacture of medium density fibreboard (MDF). By adding solid CNM to the wood fibers before adding the urea-formaldehyde resin and then pressing the sheets, a composite material is obtained.
[00133] Согласно некоторым вариантам осуществления конструкционный материал может представлять собой картон. Твердый CNM может быть добавлен в суспензию волокон древесной массы, которая изготовлена из сосновой стружки. Эту суспензия затем можно перекачивать в бумагоделательную машину для изготовления крафт-бумаги. Крафт-бумагу подвергают гофрированию, получая композиционный материал типа CNM-картон.[00133] In some embodiments, the construction material may be cardboard. Solid CNM can be added to the pulp fiber slurry that is made from pine chips. This slurry can then be pumped to a kraft paper machine. Kraft paper is subjected to corrugation, obtaining a composite material such as CNM-board.
[00134] Согласно некоторым вариантам осуществления конструкционный материал может представлять собой многослойный материал или гипсокартон. В течение изготовления гипсового штукатурного слоя CNM можно добавлять в смесь, содержащую гипсовую штукатурку, волокно, пластификатор, пенообразующее вещество и комплексообразователь, которую помещают между двумя листами плотной бумаги или стекловолокна. В мокрую смесь можно добавлять CNM в твердой форме или в форме суспензии в растворителе, таком как вода, чтобы придавать гипсокартону дополнительную прочность. Многослойный материал образуется из слоев в форме плоского материала. Слои многослойного материала могут образовываться из содержащего CNM композиционного материала с применением смолы, пластмассы, древесных волокон, бумаги или просто жестких слоев содержащего CNM электролита, как проиллюстрировано на фиг. 9. Здесь проявляется простота, с которой выращенные пленки удаляются с катода посредством простого отслаивания. Пленку выращивают в течение 18 часов посредством электролиза при плотности тока 0,1 А⋅см-2 и температуре 770°С в расплавленном Li2CO3 на электроде, имеющем размеры 12,5 см × 20 см. Анод из инконеля и электролитическая камера из стали 304 не подвергаются коррозии в процессе повторяющегося электролиза. Толщина пленки прямо пропорциональна продолжительности электролиза, что позволяет для этой цели исследовать пленки, толщина которых составляет 0,0004 дюйма (или менее). Пленка представляет собой зеркальное отражение катодной поверхность. В этом случае использована имеющая золотой цвет свинцовистая латунь, чтобы продемонстрировать, что катодный материал не переносится в выращиваемую пленку, что катод готов для повторного применения (после отслаивания пленки), и что удаленная пленка представляет собой зеркальное отражение незначительно деформированной катодной поверхности. Свинцовистая латунь имеет наименьшую температуру плавления (899°С) среди исследованных катодов. Деформация, которая происходит в процессе электролиза при температуре 770°С, регулируется посредством стальной скобки на стороне электрода, скрытой от анода, и зеркальная деформация подчеркивает, что плоскостность отслоенной пленки представляет собой зеркальное отражение катодной поверхности.[00134] In some embodiments, the structural material may be a laminate or drywall. During the manufacture of a gypsum plaster layer, CNM can be added to a mixture containing gypsum plaster, fiber, plasticizer, foaming agent and complexing agent, which is placed between two sheets of heavy paper or fiberglass. CNM can be added to a wet mix in solid form or in the form of a suspension in a solvent such as water to give the drywall extra strength. The laminate is formed from layers in the form of a flat material. The laminate layers can be formed from a CNM-containing composite material using resin, plastic, wood fibers, paper, or simply rigid layers of a CNM-containing electrolyte, as illustrated in FIG. 9. This shows the ease with which the grown films are removed from the cathode by simple peeling. The film is grown for 18 hours by electrolysis at a current density of 0.1 A.cm -2 and a temperature of 770°C in molten Li 2 CO 3 on an electrode having dimensions of 12.5 cm × 20 cm. 304 steels do not corrode during repeated electrolysis. The thickness of the film is directly proportional to the duration of the electrolysis, which allows for this purpose to examine the film, the thickness of which is 0.0004 inches (or less). The film is a mirror reflection of the cathode surface. In this case, gold-colored lead brass is used to demonstrate that the cathode material is not transferred to the growth film, that the cathode is ready for reuse (after peeling off the film), and that the removed film is a mirror image of the slightly deformed cathode surface. Lead brass has the lowest melting point (899°C) among the investigated cathodes. The deformation that occurs during electrolysis at 770° C. is controlled by a steel bracket on the side of the electrode hidden from the anode, and the mirror deformation emphasizes that the flatness of the peeled film is a mirror image of the cathode surface.
[00135] Согласно некоторым вариантам осуществления можно добавлять CNM в твердой форме в цементный порошок, и при этом получаемую в результате смесь помещают в шаровую мельницу для измельчения и перемешивания ингредиентов друг с другом перед добавлением воды.[00135] In some embodiments, solid form CNM can be added to the cement powder and the resulting mixture is placed in a ball mill to grind and mix the ingredients together before adding water.
[00136] Следует отметить, что посредством равномерного диспергирования CNM в композиционном материале может быть изготовлен более прочный композиционный материал. Таким образом, будет необходимым принятие мер во избежание неравномерного распределения, такого как локальное концентрирование CNM в композиционном материале. Например, переплетенные CNT проявляют тенденцию к образованию агломератов и не могут легко смешиваться с водными смесями. Таким образом, непереплетенные CNT, изготовленные из расплавленного карбоната посредством электролиза, являются особенно подходящими согласно варианту осуществления настоящего изобретения. В процессе изготовления CNT условия электролиза следует регулировать и можно модифицировать, чтобы обеспечивать точное регулирование морфологии продукта, представляющего собой углеродные нанотрубки.[00136] It should be noted that by evenly dispersing the CNM in the composite material, a stronger composite material can be made. Thus, it will be necessary to take measures to avoid uneven distribution, such as local concentration of CNM in the composite material. For example, intertwined CNTs tend to form agglomerates and cannot be easily mixed with aqueous mixtures. Thus, non-entangled CNTs made from molten carbonate by electrolysis are particularly suitable according to an embodiment of the present invention. During the manufacture of CNT, the electrolysis conditions must be controlled and can be modified to accurately control the morphology of the carbon nanotube product.
[00137] Согласно различным вариантам осуществления продукт (CNM) можно изготавливать, используя чистый Li2CO3 или смешанные двойные или тройные литийсодержащие или безлитиевые расплавленные карбонаты при температуре 750°С.[00137] According to various embodiments, the product (CNM) can be made using pure Li 2 CO 3 or mixed double or triple lithium or lithium-free molten carbonates at a temperature of 750°C.
[00138] Следует отметить, что смеси карбонатов щелочных металлов (представляющих собой литий, натрий, или калий), являются менее вязкими чем чистая расплавленная карбонатная соль.[00138] It should be noted that mixtures of alkali metal carbonates (which are lithium, sodium, or potassium) are less viscous than pure molten carbonate salt.
[00139] Анодная коррозия в течение электролиза может быть предотвращена или уменьшена посредством исключения карбоната калия из электролита.[00139] Anode corrosion during electrolysis can be prevented or reduced by eliminating potassium carbonate from the electrolyte.
[00140] Было показано, что лишь посредством добавления 0,048 мас. % (С) CNT в цемент может быть изготовлен композиционный материал, имеющий прочность при растяжении (S), повышенную, например, на 45% по сравнению с прочностью при растяжении чистого цемента. Таким образом, в некоторых случаях имеющий меньшую толщину слой композиционного материала, содержащего цемент и CNT, может обеспечивать такую же прочность, как более толстый слой чистого цемента. В результате этого применение цемента может быть сокращено. В других случаях можно использовать CNT в качестве армирующего материала в бетоне для замещения других армирующих материалов, которые имеют высокие уровни углеродного следа, таких как сталь. В таких случаях, хотя применение цемента может быть не сокращено, общий уровень углеродного следа бетона все же уменьшается.[00140] It has been shown that only by adding 0.048 wt. % (C) CNT in cement, a composite material can be made having a tensile strength (S) increased by, for example, 45% compared to the tensile strength of pure cement. Thus, in some cases, a thinner layer of composite material containing cement and CNT can provide the same strength as a thicker layer of pure cement. As a result, the use of cement can be reduced. In other cases, CNT can be used as a reinforcing material in concrete to replace other reinforcing materials that have high carbon footprint levels, such as steel. In such cases, although the use of cement may not be reduced, the overall carbon footprint of the concrete is still reduced.
[00141] В случае простого применения, такого как уменьшение толщины пола, который выдерживает такую же нагрузку при соотношении толщины 1/1,45, но прочнее на 45%, композиционный материал типа CNT-цемент может иметь такую же прочность, как цемент без CNT. Таким образом, композиционный материал, содержащий 1 тонну CNT (0,048 мас. %) в 2082 тоннах цемента, имеет такую же прочность, как 3021 тонна цемента. Следовательно, применение композиционного материала типа CNT-цемент, содержащего одну тонну CNT, может уменьшать требуемое количество цемента на 938 тонн. В результате этого требуется значительно менее высокий уровень углеродного следа посредством замещения чистого цемента композиционным материалом типа CNT-цемент.[00141] In the case of a simple application, such as reducing the thickness of a floor that can withstand the same load at a thickness ratio of 1/1.45, but is 45% stronger, a CNT-cement type composite material can have the same strength as cement without CNT . Thus, a composite material containing 1 ton of CNT (0.048 wt %) in 2082 tons of cement has the same strength as 3021 tons of cement. Therefore, the use of a CNT-cement type composite containing one ton of CNT can reduce the amount of cement required by 938 tons. As a result, a significantly lower carbon footprint is required by replacing pure cement with a composite material such as CNT-cement.
[00142] Теперь можно понять, что изготовленный углеродный наноматериал с уровнем углеродного следа, составляющим менее чем 10 единиц массы выбросов диоксида углерода (СО2) в течение изготовления одной единицы массы углеродного наноматериала, может быть использован для армирования конструкционного материала. Согласно некоторым вариантам осуществления углеродный наноматериал может быть изготовлен из расплавленного карбоната посредством электролиза. Композиционный материал может представлять собой композиционный материал, описанный в настоящем документе.[00142] It can now be understood that a manufactured carbon nanomaterial with a carbon footprint of less than 10 mass units of carbon dioxide (CO 2 ) emissions during the manufacture of one mass unit of carbon nanomaterial can be used to reinforce a structural material. In some embodiments, the carbon nanomaterial can be made from molten carbonate via electrolysis. The composite material may be the composite material described herein.
[00143] Согласно некоторым вариантам осуществления углеродный наноматериал может быть использован в композиционном материале, содержащем конструкционный материал, для армирования конструкционного материала, при этом изготовленный углеродный наноматериал имеет уровень углеродного следа, составляющий менее чем 10 единиц массы выбросов диоксида углерода (СО2) в течение изготовления одной единицы массы углеродного наноматериала. Согласно некоторым вариантам осуществления углеродный наноматериал может быть изготовлен из расплавленного карбоната посредством электролиза. Композиционный материал может представлять собой композиционный материал описанный в настоящем документе.[00143] In some embodiments, a carbon nanomaterial can be used in a composite material containing a structural material to reinforce the structural material, wherein the carbon nanomaterial produced has a carbon footprint of less than 10 mass units of carbon dioxide (CO 2 ) emissions for production of one mass unit of carbon nanomaterial. In some embodiments, the carbon nanomaterial can be made from molten carbonate via electrolysis. The composite material may be the composite material described herein.
[00144] Согласно некоторым вариантам осуществления изготовленный углеродный наноматериал с низким уровнем углеродного следа используется в композиционном материале, содержащем конструкционный материал и углеродный наноматериал, для уменьшения суммарных выбросов диоксида углерода (СО2) в течение изготовления композиционного материала, при этом низкий уровень углеродного следа представляет собой уровень углеродного следа, составляющий менее чем 10 единиц массы выбросов СО2 в течение изготовления одной единицы массы углеродного наноматериала. Согласно некоторым вариантам осуществления углеродный наноматериал может быть изготовлен из расплавленного карбоната посредством электролиза. Композиционный материал может представлять собой композиционный материал описанный в настоящем документе.[00144] In some embodiments, a low carbon footprint manufactured carbon nanomaterial is used in a composite material comprising a structural material and a carbon nanomaterial to reduce cumulative carbon dioxide (CO 2 ) emissions during the manufacture of the composite material, wherein the low carbon footprint represents is a carbon footprint of less than 10 mass units of CO 2 emissions during the manufacture of one mass unit of carbon nanomaterial. In some embodiments, the carbon nanomaterial can be made from molten carbonate via electrolysis. The composite material may be the composite material described herein.
[00145] Предположим, что «W» представляет собой массу композиционного материала, содержащего конструкционный материал и CNM, «N» представляет собой массу чистого конструкционного материала без добавления CNM, «С» представляет собой массовую концентрацию CNT в композиционном материале, и «S» представляет собой увеличение прочности в процентах; тогда масса композиционного материала, содержащего 1 единицу массы CNT, может быть вычислена следующим образом:[00145] Assume that "W" is the mass of the composite material containing the structural material and CNM, "N" is the mass of the pure structural material without the addition of CNM, "C" is the mass concentration of CNT in the composite material, and "S" represents the percentage increase in strength; then the mass of the composite material containing 1 mass unit of CNT can be calculated as follows:
[00146] Значение N можно вычислить согласно следующему выражению:[00146] The value of N can be calculated according to the following expression:
[00147] Уменьшение (N - W) массы конструкционного материала в композиционном материале от чистого конструкционного материала составляет:[00147] The reduction (N - W) in the mass of structural material in a composite material from pure structural material is:
[00148] Примеры[00148] Examples
[00149] Пример I[00149] Example I
[00150] В результате исследования было продемонстрировано, что непереплетенные CNT с высоким соотношением характеристических размеров легко диспергировались в воде посредством ультразвуковой обработки без применения поверхностно-активного вещества. Диспергированные в воде CNT смешивали с портландцементом, получая композиционный материал типа CNT-цемент. См. фиг. 3А, 3В и 3С.[00150] As a result of the study, it was demonstrated that non-entangled CNT with a high aspect ratio was easily dispersed in water by ultrasonic treatment without the use of a surfactant. Water-dispersed CNT was mixed with Portland cement to form a CNT-cement composite. See fig. 3A, 3B and 3C.
[00151] В этом примере образец CNT, представленный на фиг. 3А, изготавливали посредством электролиза в имеющем низкую вязкость двойном электролите, содержащем карбонаты лития и натрия. Непереплетенные CNT синтезировали при температуре 740°С в расплавленном электролите, содержащем 73 мас. % Li2CO3, 17 мас. % Na2CO3 и 10 мас. % LiBO2, посредством электролиза с применением латунного катода и катода из инконеля в системе, которая проиллюстрирована на фиг. 2. Кроме того, согласно наблюдениям добавление метаборатной соли в электролит улучшало соотношение характеристических размеров CNT.[00151] In this example, the CNT sample shown in FIG. 3A was made by electrolysis in a low viscosity dual electrolyte containing lithium and sodium carbonates. Unentangled CNTs were synthesized at 740°C in a molten electrolyte containing 73 wt. % Li 2 CO 3 , 17 wt. % Na 2 CO 3 and 10 wt. % LiBO 2 by electrolysis using a brass cathode and an Inconel cathode in the system illustrated in FIG. 2. In addition, according to observations, the addition of a metaborate salt to the electrolyte improved the aspect ratio of the CNT.
[00152] На фиг. 3А представлено полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) изображение продукта на основе CNT, содержащего приблизительно 90 мас. % CNT. Процесс электролиза проводили при кулоновской эффективности, составляющей 97,5% и определяемой согласно уравнению (3) посредством сопоставления числа молей продукта на основе CNT и интегрированного тока электролиза.[00152] FIG. 3A is a scanning electron microscope (SEM) image of a CNT-based product containing approximately 90 wt. %CNT. The electrolysis process was carried out at a Coulomb efficiency of 97.5%, determined according to equation (3) by comparing the number of moles of the CNT-based product and the integrated electrolysis current.
[00153] CNT диспергировали в воде, и полученную в результате водную смесь обрабатывали ультразвуком. Как можно видеть на фиг. 3В, ультразвуковая обработка вызывала равномерное диспергирование CNT в воде. Согласно наблюдениям без ультразвуковой обработки CNT образовывали агломераты в воде и неравномерно диспергировались в воде.[00153] CNT was dispersed in water and the resulting aqueous mixture was sonicated. As can be seen in FIG. 3B, the sonication caused the CNT to be uniformly dispersed in the water. As observed without sonication, CNTs formed agglomerates in water and were unevenly dispersed in water.
[00154] После смешивания водной суспензии равномерно диспергированных CNT с портландцементом из полученной в результате смеси можно было легко отливать композиционные материалы типа CNT-цемент, как представлено на фиг. 3С. Менее чем 0,8 мас. %, например, 0,048 мас. % изготовленных CNT добавляли в портландцемент, получая композиционный материал типа CNT-цемент.[00154] After mixing an aqueous slurry of uniformly dispersed CNTs with Portland cement, the resulting mixture could easily be cast into CNT-cement type composites as shown in FIG. 3C. Less than 0.8 wt. %, for example, 0.048 wt. % of manufactured CNT was added to Portland cement to form a CNT-cement type composite material.
[00155] Согласно наблюдениям, используя менее чем 0,75 единицы массы композиционного материала, можно было обеспечивать такую же механическую прочность, как в случае 1 единицы массы чистого цемента, при этом уменьшение массы составляло по меньшей мере 25%.[00155] It has been observed that using less than 0.75 mass units of composite material, it was possible to achieve the same mechanical strength as 1 mass unit of pure cement, with a weight reduction of at least 25%.
[00156] Пример II[00156] Example II
[00157] В этом примере образцы материалов изготавливали, чтобы получить прочные композиционные материалы типа CNT-цемент и продемонстрировать, что: (i) несвязанные изготовленные углеродные нанотрубки обеспечивают однородное и равномерное диспергирование CNT в составе цемента, и (ii) изготовление CNT большей длины способствует соединению цементных зерен в композиционном материале.[00157] In this example, material samples were fabricated to produce strong CNT-cement type composite materials and demonstrate that: (i) unbonded fabricated carbon nanotubes provide homogeneous and uniform dispersion of CNT in the cement formulation, and (ii) fabrication of longer CNTs facilitates connection of cement grains in a composite material.
[00158] Для изготовления CNT была использована технология синтеза CNT, называемая термином «технология C2CNT». Технология C2CNT включала технологию электролитического разложения СО2 в карбонате, и было показано, что она обеспечивает регулирование морфологию CNT, и позволяла изготавливать длинные однородные непереплетенные CNT, предотвращая агломерацию CNT в течение смешивания с водой и цементом, а также обеспечивала соответствующее диспергирование CNT в водной смеси.[00158] CNT synthesis technology, referred to as "C2CNT technology", was used to make CNT. The C2CNT technology included the electrolytic decomposition of CO 2 in carbonate and was shown to control the morphology of the CNT and to produce long, uniform, non-entangled CNT by preventing the CNT from agglomerating during mixing with water and cement, as well as ensuring that the CNT was properly dispersed in the aqueous mixture. .
[00159] Кислород был исключен в течение добавления CNM в конструкционный материал, чтобы предотвратить любое окисление добавляемого CNM.[00159] Oxygen was excluded during the addition of the CNM to the construction material to prevent any oxidation of the added CNM.
[00160] Пример II(1)[00160] Example II(1)
[00161] Композиционные материалы типа CNM-цемент были изготовлены посредством простого диспергирования CNM в воде с применением ультразвуковой обработки или добавлением поверхностно-активного вещества и последующего добавления в цементный порошок в присутствии или при отсутствии агрегатов с получением композиционных материалов типа CNM-цемент и композиционные материалы типа CNM-бетон.[00161] CNM-cement type composite materials were made by simply dispersing CNM in water using ultrasonic treatment or adding a surfactant and then adding to cement powder with or without aggregates to form CNM-cement type composite materials and composite materials type CNM-concrete.
[00162] Пример II(2)[00162] Example II(2)
[00163] Композиционные материалы типа CNM-алюминий были изготовлены посредством добавления CNM в расплавленный алюминий, у которого температура плавления составляет 660°С. CNM легко диспергировались в расплавленном алюминии. Для плавления алюминия использовали индуктивное нагревание.[00163] Composite materials of the CNM-aluminum type were made by adding CNM to molten aluminum, which has a melting point of 660°C. CNM was easily dispersed in molten aluminium. Inductive heating was used to melt aluminum.
[00164] Пример II(3)[00164] Example II(3)
[00165] Было обнаружено, что CNT, изготовленные согласно технологии C2CNT, имели отрицательный уровень углеродного следа, представляющий собой предотвращение выбросов по меньшей мере 800 тонн СО2 на тонну изготовленных CNT (см. таблицу I).[00165] CNTs made using the C2CNT technology were found to have a negative carbon footprint of at least 800 tons of CO 2 avoided per ton of CNTs made (see Table I).
[00166] Согласно наблюдениям содержание 0,048 мас. % CNT, изготовленных с применением технологии C2CNT, в композиционном материале типа CNT-цемент приводило к увеличению прочности при растяжении (модуля упругости) на 60,8% (после отверждения в течение 26 суток) и к увеличению прочности при сжатии на 80,4% (после отверждения в течение 20 суток) по сравнению с чистым цементом, не содержащим CNT.[00166] According to observations, the content of 0.048 wt. % CNT made using C2CNT technology in a CNT-cement composite resulted in a 60.8% increase in tensile strength (elastic modulus) (after 26 days curing) and an 80.4% increase in compressive strength (after curing for 20 days) compared to pure cement without CNT.
[00167] Указанные увеличения прочности были выше, чем соответствующие значения, представленные в таблице I, и выше, чем увеличения прочности, описанные в литературе, известной авторам настоящего изобретения. Согласно предположению увеличение прочности было обусловлено более высокой однородностью и менее агломерированной природой углеродных нанотрубок, изготовленных по технологии C2CNT.[00167] These increases in strength were higher than the corresponding values presented in table I, and higher than the increases in strength described in the literature known to the authors of the present invention. The increase in strength was hypothesized to be due to the higher uniformity and less agglomerated nature of the C2CNT carbon nanotubes.
[00168] Без ограничения какой-либо определенной теорией было сделано предположение, что для образования более прочных композиционных материалов типа CNM-цемент не только собственные значения прочности CNM должны быть высокими настолько, чтобы обеспечивать улучшения прочности при растяжении сжатии и изгибе, но также добавленный CNM должен иметь способность соединения зерен цемента. Согласно предположению указанные соединения создают матрицу, которая обеспечивает распространение прочности во всем объеме композиционного материала.[00168] Without wishing to be bound by any particular theory, it has been suggested that in order to form stronger CNM-cement composites, not only the intrinsic strengths of the CNM must be high enough to provide improvements in tensile compressive and flexural strength, but also the added CNM must have the ability to connect grains of cement. According to the assumption, these compounds create a matrix that ensures the distribution of strength throughout the volume of the composite material.
[00169] Согласно наблюдениям технология C2CNT позволяла регулировать однородные значения длины и диаметра изготовленных CNT. Имеющие однородные значения длины и диаметра CNT были изготовлены по технологии C2CNT, которая позволяла производить CNT, имеющие диаметр 200 нм и длину 80 мкм. Указанные CNT были использованы для изготовления образцов композиционных материалов типа CNT-цемент, которые проявляли отмеченную выше улучшенную прочность.[00169] C2CNT technology has been observed to be able to control uniform lengths and diameters of fabricated CNTs. CNTs of uniform length and diameter were fabricated using the C2CNT technology, which allowed the production of CNTs having a diameter of 200 nm and a length of 80 μm. These CNTs were used to make CNT-cement composite samples which exhibited the improved strength noted above.
[00170] Для изготовления композиционных материалов CNT диспергировали в воде и подвергали ультразвуковой обработке перед смешиванием с порошком портландцемента. Перед ультразвуковой обработкой большинство CNT опускались на дно смесительного резервуара, в то время как некоторые CNT плавали на поверхности воды. После ультразвуковой обработки в течение 90 минут был получен раствор, равномерно окрашенный в коричневый/черный цвет (см. примерную фотографию, представленную на фиг. 3В). Равномерно диспергированные в воде CNT смешивали с порошком портландцемента. Смесь помещали в разнообразные литейные формы и отверждали перед исследованием.[00170] For the manufacture of composite materials, CNT was dispersed in water and subjected to ultrasonic treatment before mixing with Portland cement powder. Prior to sonication, most of the CNTs sank to the bottom of the mixing tank, while some of the CNTs floated on the surface of the water. After sonication for 90 minutes, a uniform brown/black color solution was obtained (see exemplary photograph shown in FIG. 3B). CNT uniformly dispersed in water was mixed with Portland cement powder. The mixture was placed in a variety of molds and cured prior to testing.
[00171] Для исследований прочности при сжатии и растяжении были использованы формы, представляющие собой цилиндр и восьмерку. Примерные результаты исследования прочности представлены в таблице I.[00171] Cylinder and figure eight molds were used for compressive and tensile strength studies. Exemplary strength test results are shown in Table I.
[00172] Пример III[00172] Example III
[00173] Технология C2CNT была также модифицирована и использована для изготовления других углеродных наноматериалов, включая графен, нанолуковицы, нано пластинки, нанокаркасы и спиральные углеродные нанотрубки. Согласно наблюдениям каждый из указанных CNM проявлял необычные и ценные физические и химические свойства, позволяющие использовать их как смазочные материалы (нанолуковицы), батареи (графен) и природоохранные сорбенты (наноуглеродные аэрогели) перед добавлением в конструкционные материалы, в также особые свойства, включая улучшенную электрическую проводимость и сенсорную способность композиционных материалов, содержащих CNM и конструкционные материалы.[00173] The C2CNT technology has also been modified and used to fabricate other carbon nanomaterials, including graphene, nanoonions, nanoplates, nanoframeworks, and helical carbon nanotubes. Each of these CNMs were observed to exhibit unusual and valuable physical and chemical properties, allowing them to be used as lubricants (nanobulbs), batteries (graphene) and environmental sorbents (nanocarbon aerogels) before being added to structural materials, as well as special properties, including improved electrical conductivity and sensory ability of composite materials containing CNM and structural materials.
[00174] Согласно предположению указанные материалы являются пригодными для изготовления улучшенных конструкционных материалов.[00174] According to the assumption, these materials are suitable for the manufacture of improved structural materials.
[00175] В каждом случае продукт был синтезирован с высокой кулоновской эффективностью, превышающей 95%, и в большинстве случаев продукт имел чистоту, превышающую 95%.[00175] In each case, the product was synthesized with high Coulomb efficiency in excess of 95%, and in most cases the product had a purity in excess of 95%.
[00176] Согласно наблюдениям ключевая измеряемая характеристика, которая находится в корреляции с прочностью, представляла собой низкое относительное содержание дефектов, которое измеряют как соотношение упорядоченных атомов углерода (пик G, соответствующий плоской цилиндрической конфигурации sp2) и неупорядоченных атомов углерода (пик D, соответствующий неплоской тетраэдрической конфигурации sp3) по спектрам комбинационного рассеяния. Образцы многостенных углеродных нанотрубок, изготовленных согласно технологии C2CNT, проявляли высокую прочность, мерой которого является соотношение пиков G и D в спектрах комбинационного рассеяния, которые представлены на фиг. 6.[00176] According to observations, the key measurable characteristic that is correlated with strength was a low relative content of defects, which is measured as the ratio of ordered carbon atoms (peak G, corresponding to a flat sp 2 cylindrical configuration) and disordered carbon atoms (peak D, corresponding to non-planar tetrahedral configuration sp 3 ) according to the Raman spectra. Samples of multi-walled carbon nanotubes fabricated according to the C2CNT technology showed high strength, which is measured by the ratio of the G and D peaks in the Raman spectra, which are presented in Fig. 6.
[00177] На фиг. 6 представлены аналогичный спектр комбинационного рассеяния образца углеродных нанолуковиц, изготовленных согласно технологии C2CNT. На фиг. 8 сверху представлен спектр комбинационного рассеяния образца углеродных нанопластинок, изготовленных согласно технологии C2CNT, и на фиг. 8 снизу представлен спектр комбинационного рассеяния образца графена, изготовленного согласно технологии C2CNT. Присутствие полосы D' является показателем однослойной и многослойной (пластинчатой) структуры графеновых слоев, а сдвиг влево полосы 2-D является показателем тонкого графенового слоя.[00177] FIG. Figure 6 shows a similar Raman spectrum for a sample of carbon nanoonions fabricated according to the C2CNT technology. In FIG. 8 shows the Raman spectrum of a sample of carbon nanoplates made according to the C2CNT technology, and FIG. Figure 8 below shows the Raman spectrum of a graphene sample fabricated according to the C2CNT technology. The presence of the D' band is indicative of the single-layer and multilayer (lamellar) structure of the graphene layers, and the shift to the left of the 2-D band is indicative of a thin graphene layer.
[00178] На фиг. 9 представлены полученные методом СЭМ изображения углеродных нанокаркасов, которые выращены при температуре 670°С в электролите, содержащем 50% Na2CO3 и 50% Li2CO3, при плотности электрического тока 0,1 А⋅см-2 с латунным катодом и анодом из инконеля. Электролит содержал добавку 10 мас. % H3BO3, которая способствует однородной морфология. В целях сокращения расходов добавка представляла собой Н3ВО3, а не Li2BO. При нагревании Н3ВО3 высвобождает воду и содержит бор в такой же степени окисления, как Li2BO в составе расплавленного электролита.[00178] FIG. 9 shows SEM images of carbon nanoframeworks grown at 670°C in an electrolyte containing 50% Na 2 CO 3 and 50% Li 2 CO 3 at an electric current density of 0.1 A⋅cm -2 with a brass cathode and inconel anode. The electrolyte contained an additive of 10 wt. % H 3 BO 3 which promotes uniform morphology. In order to reduce costs, the additive was H 3 BO 3 rather than Li 2 BO. When heated, H 3 BO 3 releases water and contains boron in the same oxidation state as Li 2 BO in the molten electrolyte.
[00179] На фиг. 10 представлены полученные методом СЭМ изображения спиральных углеродных нанотрубок после промывания продукта, которые выращивали при температуре 750°С в электролите, содержащем 100% Li2CO3, при высокой плотности электрического тока (0,5 А⋅см-2) в течение 2 часов на катодах, содержащих латунь/монель, с применением анода, содержащего хромель С (нихром).[00179] FIG. 10 shows SEM images of helical carbon nanotubes after product washing, which were grown at 750° C. in an electrolyte containing 100% Li 2 CO 3 at high current density (0.5 A⋅cm -2 ) for 2 hours on cathodes containing brass/monel using an anode containing chromel C (nichrome).
[00180] Композиционные материалы, исследованные в указанных примерах, представляют собой материалы типов CNT-алюминий, CNT-сталь, CNT-магний, CNT-титан и CNT-цемент.[00180] The composite materials tested in these examples are CNT-Aluminum, CNT-Steel, CNT-Magnesium, CNT-Titanium, and CNT-Cement.
[00181] Заключительные замечания[00181] Closing remarks
[00182] Следует понимать, что любой диапазон значений в настоящем документе предусмотрен для конкретного включения любого промежуточного значения или поддиапазона в пределах данного диапазона, и все такие промежуточные значения и поддиапазоны считаются индивидуально и конкретно описанными.[00182] It should be understood that any range of values herein is intended to specifically include any intermediate value or subrange within that range, and all such intermediate values and subranges are to be considered individually and specifically described.
[00183] Кроме того, следует понимать, что грамматические формы единственного числа предусмотрены в значении «один или несколько» или «по меньшей мере один», и любая форма единственного числа предусмотрена для обозначения множественного числа в настоящем документе.[00183] In addition, it should be understood that the grammatical forms of the singular are provided for the meaning of "one or more" or "at least one", and any form of the singular is provided for the plural in this document.
[00184] Кроме того, следует понимать, что термин «включают», в том числе любые его видоизменения предусмотрены как имеющие неограничительный смысл и означают «включают, но без ограничения», если иное условие не указано определенным образом.[00184] In addition, it should be understood that the term "include", including any modifications thereof, is provided as having a non-limiting meaning and means "include, but without limitation", unless otherwise specified in a specific way.
[00185] Когда список предметов представлен в настоящем документе с союзом «или» перед последним предметом, можно выбирать и использовать любой из перечисленных предметов или любое подходящее сочетание из двух или большего количества перечисленных предметов.[00185] When a list of items is presented herein with the conjunction "or" before the last item, any of the listed items or any suitable combination of two or more of the listed items may be selected and used.
[00186] Разумеется, описанные выше варианты осуществления предусмотрены исключительно как иллюстративные, но никаким образом не ограничительные. Описанные варианты осуществления могут быть подвержены многочисленным модификациям в отношении формы, расположения частей, деталей и порядка работы. При этом предусмотрено, что настоящее изобретение охватывает все такие модификации, которые находятся в пределах его объема, как определено формулой изобретения.[00186] Of course, the embodiments described above are provided for illustrative purposes only, and are not restrictive in any way. The described embodiments may be subject to numerous modifications in terms of shape, arrangement of parts, details and operation. It is hereby intended that the present invention cover all such modifications that fall within its scope as defined by the claims.
Claims (33)
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US62/752,124 | 2018-10-29 | ||
| US62/890,719 | 2019-08-23 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2021107998A RU2021107998A (en) | 2022-11-30 |
| RU2788184C2 true RU2788184C2 (en) | 2023-01-17 |
Family
ID=
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2233254C2 (en) * | 2000-10-26 | 2004-07-27 | Закрытое акционерное общество "Астрин-Холдинг" | Composition for manufacture of building materials |
| JP2010006998A (en) * | 2008-06-28 | 2010-01-14 | Mitsubishi Materials Corp | Electroconductive resin composition and its use |
| WO2011010947A1 (en) * | 2009-07-21 | 2011-01-27 | Ponomarev Andrey Nikolaevich | Nanocomposite material containing mineral binders |
| US20160159692A1 (en) * | 2013-03-18 | 2016-06-09 | Marsel Yanovich Bickbau | Method for producing nano-cement, and nano-cement |
| RU2599614C1 (en) * | 2015-07-30 | 2016-10-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Технология 21 века" (ООО "Т21") | Composite bearing element |
| RU2623523C2 (en) * | 2011-09-08 | 2017-06-27 | Вале С.А. | Carbon nanotubes application in the ore minerals agglomerates for improving the mechanical strength |
| WO2018156642A1 (en) * | 2017-02-21 | 2018-08-30 | Stuart Licht | Methods and systems for production of doped carbon nanomaterials |
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2233254C2 (en) * | 2000-10-26 | 2004-07-27 | Закрытое акционерное общество "Астрин-Холдинг" | Composition for manufacture of building materials |
| JP2010006998A (en) * | 2008-06-28 | 2010-01-14 | Mitsubishi Materials Corp | Electroconductive resin composition and its use |
| WO2011010947A1 (en) * | 2009-07-21 | 2011-01-27 | Ponomarev Andrey Nikolaevich | Nanocomposite material containing mineral binders |
| RU2623523C2 (en) * | 2011-09-08 | 2017-06-27 | Вале С.А. | Carbon nanotubes application in the ore minerals agglomerates for improving the mechanical strength |
| US20160159692A1 (en) * | 2013-03-18 | 2016-06-09 | Marsel Yanovich Bickbau | Method for producing nano-cement, and nano-cement |
| RU2599614C1 (en) * | 2015-07-30 | 2016-10-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Технология 21 века" (ООО "Т21") | Composite bearing element |
| WO2018156642A1 (en) * | 2017-02-21 | 2018-08-30 | Stuart Licht | Methods and systems for production of doped carbon nanomaterials |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11767261B2 (en) | Use of carbon nanomaterials produced with low carbon footprint to produce composites with low CO2 emission | |
| Tiwari et al. | Graphene research and their outputs: Status and prospect | |
| Kamali | Eco-friendly production of high quality low cost graphene and its application in lithium ion batteries | |
| Ren et al. | Transformation of the greenhouse gas CO2 by molten electrolysis into a wide controlled selection of carbon nanotubes | |
| Chen et al. | One-step synthesis of low defect density carbon nanotube-doped Ni (OH) 2 nanosheets with improved electrochemical performances | |
| Li et al. | Recent Advances of Two‐Dimensional (2 D) MXenes and Phosphorene for High‐Performance Rechargeable Batteries | |
| Rafiq et al. | Recent advances in structural engineering of 2D hexagonal boron nitride electrocatalysts | |
| Licht | Co-production of cement and carbon nanotubes with a carbon negative footprint | |
| Krishna et al. | The role of graphene and its derivatives in modifying different phases of geopolymer composites: A review | |
| Licht et al. | Amplified CO2 reduction of greenhouse gas emissions with C2CNT carbon nanotube composites | |
| Bao et al. | Scalable upcycling silicon from waste slicing sludge for high-performance lithium-ion battery anodes | |
| US20220235474A1 (en) | Methods, apparatuses, and electrodes for carbide-to-carbon conversion with nanostructured carbide chemical compounds | |
| Chen et al. | Green and sustainable molten salt electrochemistry for the conversion of secondary carbon pollutants to advanced carbon materials | |
| Liu et al. | Hierarchical dandelion-like copper oxide wrapped by reduced graphene oxide: Hydrothermal synthesis and their application in supercapacitors | |
| RU2788184C2 (en) | Use of manufactured carbon nanomaterials with low level of carbon footprint for manufacture of composite materials with low level of co2 emissions | |
| Kim et al. | Solution-phase selenization engineering of zeolitic imidazolate framework (ZIF)-67-derived Co0. 85Se@ nitrogen-doped carbon for potassium-ion storage | |
| Zinatloo-Ajabshir | Advanced rare earth-based ceramic nanomaterials at a glance | |
| CN117500957A (en) | System and method for preparing polymer-carbon nanomaterial blend from carbon dioxide and product thereof | |
| CN114622222B (en) | Industrial preparation method of carbon nanomaterial | |
| Licht et al. | Electrosynthetic control of CNT conductivity & morphology: Scale-up of the transformation of the greenhouse gas CO2 into carbon nanotubes by molten carbonate electrolysis | |
| Zhang et al. | Investigation on the hydrogen production performance and hydrolysate formation mechanism of Al-based composites | |
| Swathi et al. | Neodymium-doped novel barium tungstate nanospindles for the enhanced oxygen evolution reaction | |
| Vafaeva et al. | Carbon nanotubes: revolutionizing construction materials for a sustainable future: A review | |
| Liu et al. | Controlled Transition Metal Nucleated Growth of Carbon Nanotubes by Molten Electrolysis of CO2. Catalysts 2022, 12, 137 | |
| Singh et al. | Partially graphitized Iron-carbon hybrid composite as electrochemical supercapacitor material |