कई सामग्री अनुसंधान एवं विकास कर्मी तब आश्चर्यचकित रह जाते हैं जब वे आपूर्ति श्रृंखला से नमूनों का अनुरोध करते समय एकल दीवार वाले या अर्धचालक कार्बन नैनोट्यूब के लिए उद्धरण देखते हैं। दोनों काले पाउडर हैं, तो बहु-दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब की कीमत केवल कुछ दर्जन आरएमबी प्रति किलोग्राम क्यों होती है, जबकि उच्च गुणवत्ता वाले एकल-दीवार वाले या अर्धचालक कार्बन नैनोट्यूब की कीमत कई हजार या यहां तक कि दसियों हजार आरएमबी प्रति ग्राम हो सकती है? उच्च गुणवत्ता वाले कार्बन नैनोट्यूब (एकल दीवार वाले/अर्धचालक) इतने महंगे क्यों हैं?
1. एकल - दीवार बनाम बहु {{3} दीवार: समान कार्बन नैनोट्यूब, सौ - कीमत में अंतर का गुना
एकल दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब (एसडब्ल्यूसीएनटी) की कीमत आम तौर पर बहु दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब (एमडब्ल्यूसीएनटी) की तुलना में 100 गुना से अधिक है। साधारण बहु-दीवार वाली ट्यूबों की लागत 60,000 -500,000 आरएमबी/टन होती है, जबकि एकल-दीवार वाली ट्यूबों की कीमत 6 से 20 मिलियन आरएमबी/टन तक हो सकती है।
इसका अर्थ क्या है? एक किलोग्राम उच्च गुणवत्ता वाला एकल {{1}दीवार वाला कार्बन नैनोट्यूब पाउडर 6,000- 20,000 आरएमबी - में बिकता है, जो लगभग एक मध्य-श्रेणी की पारिवारिक कार की कीमत के बराबर है। इसमें कोई आश्चर्य नहीं कि भौतिक जगत में इसे "काला सोना" कहा जाता है।
| तुलना आयाम | बहु-दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब (MWCNT) | एकल -दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब (एसडब्ल्यूसीएनटी) |
|---|---|---|
| ट्यूब व्यास | 7-100 एनएम | 1-2 एनएम |
| विक्रय मूल्य | 100,000-200,000 आरएमबी/टन | 6,000,000-20,000,000 आरएमबी/टन |
| प्रवाहकीय दक्षता | 0.5%+ अतिरिक्त की आवश्यकता है | मात्र 0.03% से भी महत्वपूर्ण परिणाम प्राप्त किये जा सकते हैं |
| अनुप्रयोग स्थिति निर्धारण | औद्योगिक कार्यक्षेत्र, लागत{{0}प्रभावशीलता प्राथमिकता | नैनोमटेरियल्स का राजा, बेहतरीन प्रदर्शन |
2. लागत कहाँ से आती है? तीन "पैसा-बर्निंग" लिंक
एकल दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब की आसमान छूती कीमत "कठिन तैयारी, कठिन पृथक्करण और कम उत्पादन क्षमता" के ट्रिपल ओवरले से आती है। प्रत्येक लिंक के लिए अत्यधिक उच्च तकनीकी और उपकरण निवेश की आवश्यकता होती है।
2.1 तैयारी: परमाणु-स्तर "परिशुद्धता नियंत्रण"
कार्बन नैनोट्यूब का प्रदर्शन उनकी चिरैलिटी (रोलिंग कोण) और व्यास पर निर्भर करता है। एकल दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब का व्यास केवल 1-2 नैनोमीटर होता है। उत्प्रेरकों पर ऐसी पतली ट्यूबों को उगाने के लिए तापमान, कार्बन स्रोत प्रवाह दर और उत्प्रेरक अनुपात पर अत्यधिक उच्च नियंत्रण की आवश्यकता होती है।
यद्यपि वर्तमान सीवीडी विधि (रासायनिक वाष्प जमाव) का उपयोग औद्योगिक उत्पादन के लिए किया जा सकता है, संश्लेषित उत्पाद में अनिवार्य रूप से धातु और अर्धचालक कार्बन नैनोट्यूब का मिश्रण होता है। दूसरे शब्दों में, विकास प्रक्रिया यह भेदभाव नहीं करती कि दोनों प्रकार एक साथ बढ़ते हैं, और "केवल उसी प्रकार का उत्पादन करना असंभव है जो आप चाहते हैं।"
लागत संरचना के नजरिए से, कच्चे माल की लागत कुल कार्बन नैनोट्यूब उत्पादन लागत का 40 - 60% है। एकल दीवार वाली ट्यूबों में कार्बन स्रोत की शुद्धता और उत्प्रेरक के लिए अधिक कठोर आवश्यकताएं होती हैं, कच्चे माल की लागत बहु-दीवार वाली ट्यूबों की तुलना में कहीं अधिक होती है।
2.2 पृथक्करण और शुद्धिकरण: "मिश्रित बर्तन" से "गोल्डन बीन्स" चुनना
यह वह लिंक है जो एकल दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब के "प्रीमियम" में सबसे अधिक योगदान देता है। ट्रांजिस्टर जैसे इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के निर्माण के लिए, अर्धचालक एकल दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब का उपयोग किया जाना चाहिए - धातु ट्यूब ट्रांजिस्टर की स्विचिंग विशेषताओं को नष्ट कर देंगे।
लेकिन समस्या यह है कि मिश्रण से अर्धचालक और धात्विक कार्बन नैनोट्यूब को कुशलतापूर्वक अलग करना विश्व स्तर की चुनौती बनी हुई है। सामान्य तरीकों में घनत्व ढाल सेंट्रीफ्यूजेशन, इलेक्ट्रोफोरेटिक पृथक्करण और चयनात्मक क्रियाशीलता शामिल हैं। ये विधियां या तो कम उपज के साथ बोझिल हैं, या बेहद महंगी हैं और इन्हें मापना मुश्किल है।
राष्ट्रीय स्तर की कार्बन नैनोट्यूब मुद्रित टीएफटी परियोजना से पता चलता है कि जटिल शुद्धिकरण प्रक्रियाओं के बाद, 99.997% से अधिक शुद्धता वाले अर्धचालक कार्बन नैनोट्यूब तैयार किए जा सकते हैं, लेकिन शुद्धता के इस स्तर को प्राप्त करने में प्रक्रिया जटिलता और समय के निवेश के मामले में अत्यधिक लागत आती है।
2.3 बाजार परिदृश्य: कुछ खिलाड़ी आपूर्ति पर एकाधिकार जमा लेते हैं
कमी से कीमत बढ़ती है। वर्तमान में, लगभग 100 टन की मौजूदा उत्पादन क्षमता के साथ, अकेले OCSiAl के पास वैश्विक एकल दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब बाजार का लगभग 90% हिस्सा है। घरेलू स्तर पर, तियानेंग टेक्नोलॉजी 150 टन उत्पादन क्षमता के निर्माण को आगे बढ़ा रही है।
मांग पक्ष पर, वैश्विक एकल दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब बाजार 49.5% की चक्रवृद्धि वार्षिक वृद्धि दर से तेजी से विस्तार कर रहा है। आपूर्ति-मांग असंतुलन आगे चलकर उच्च कीमत का समर्थन करता है।
3. यह "महंगा" फिर भी मूल्यवान क्यों है? प्रदर्शन अंतिम रेखा है
एकल दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब की अत्यधिक उच्च कीमत को बहु दीवार वाले ट्यूबों की तुलना में उनकी बेहतर प्रवाहकीय दक्षता, यांत्रिक गुणों और तापीय चालकता द्वारा समर्थित किया जाता है।
कीमत अधिक है या नहीं यह "लागत{0}}प्रभावशीलता" पर निर्भर करता है। एकल दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब कितने सक्षम हैं?
| प्रदर्शन संकेतक | एकल -दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब (एसडब्ल्यूसीएनटी) | बहु-दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब (MWCNT) |
|---|---|---|
| लोचदार मापांक | 1000-3000 जीपीए | 300-1000 जीपीए |
| तन्यता ताकत | 50-100 जीपीए | 10-50 जीपीए |
| ऊष्मीय चालकता | 3000-6000 W/(m·K) | 2000-3000 W/(m·K) |
| न्यूनतम प्रवाहकीय योगात्मक राशि | 0.01% | 0.5% |
एक उदाहरण के रूप में लिथियम बैटरी अनुप्रयोगों को लेते हुए: एलएफपी कैथोड में, बहु-दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब को 13.80 Ω·सेमी की मात्रा प्रतिरोधकता प्राप्त करने के लिए 0.9% अतिरिक्त की आवश्यकता होती है। 4.77 Ω·सेमी की कम प्रतिरोधकता प्राप्त करने के लिए एकल दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब को केवल 0.03% (एमडब्ल्यूसीएनटी का 1/30) की आवश्यकता होती है।
सिलिकॉन एनोड सिस्टम में अंतर और भी अधिक स्पष्ट है: MWCNTs को 0.78 Ω·सेमी की प्रतिरोधकता के लिए 3% अतिरिक्त की आवश्यकता होती है; एसडब्ल्यूसीएनटी को केवल 0.3% (1/10) की आवश्यकता होती है, जिससे प्रतिरोधकता 0.75 Ω·सेमी तक कम हो जाती है।
इसका मतलब है: हालांकि एसडब्ल्यूसीएनटी की इकाई कीमत अधिक है, उपयोग की मात्रा बेहद कम है। उच्च-स्तरीय बैटरी फॉर्मूलेशन में, कुल लागत MWCNTs के उपयोग से अधिक नहीं हो सकती है।
4. शेडोंग टैनफ़ेंग नई सामग्री: उच्च गुणवत्ता वाले SWCNTs के स्थानीयकरण की खोज
शेडोंग टैनफेंग न्यू मटेरियल टेक्नोलॉजी कंपनी लिमिटेड सक्रिय रूप से उच्च गुणवत्ता वाले कार्बन नैनोट्यूब के स्थानीयकरण को बढ़ावा दे रही है। इसके टीएफ श्रृंखला के उत्पाद 98% से अधिक या उसके बराबर शुद्धता वाले एकल दीवार/बहु दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब को कवर करते हैं, जो "उच्च मूल्य एकाधिकार" को तोड़ने में एक महत्वपूर्ण शक्ति का प्रतिनिधित्व करते हैं।
ऊंची कीमत का मूल कारण तकनीकी बाधा है। एकाधिकार को तोड़ने के लिए घरेलू प्रतिस्थापन की आवश्यकता है - ठीक वही जो शेडोंग टैनफेंग न्यू मटेरियल टेक्नोलॉजी कंपनी लिमिटेड कर रही है।
शेडोंग टैनफ़ेंग नई सामग्री, अपने स्वयं के विकसित उच्च दक्षता वाले एंटी-सिन्टरिंग उत्प्रेरक सिस्टम और निरंतर शुद्धिकरण प्रक्रियाओं के कारण, एकल दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब की उपज में काफी सुधार करती है और अशुद्धता अवशेषों को कम करती है। यह एक शक्तिशाली स्रोत निर्माता है जो उच्च अंत कार्बन ट्यूबों की लागत में कमी लाता है। कार्बन आधारित सामग्रियों में गहराई से निहित एक घरेलू स्रोत निर्माता के रूप में, यह निम्नलिखित तीन आयामों से इस मूल्य बाधा को तोड़ रहा है:
कैटेलिस्ट एंटी-सिंटरिंग प्रौद्योगिकी में निर्णायक उपलब्धि:टैनफेंग न्यू मटेरियल एक विशेष समर्थित उत्प्रेरक का उपयोग करता है जो एकल दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब विकास के दौरान उच्च तापमान वाले सिंटरिंग को प्रभावी ढंग से रोकता है, उत्प्रेरक जीवन को 3 गुना से अधिक बढ़ाता है और एसडब्ल्यूसीएनटी की मैक्रोस्कोपिक विकास उपज को 20% से अधिक तक बढ़ाता है, जिससे स्रोत पर सामग्री लागत कम हो जाती है।
सतत शुद्धिकरण और अशुद्धता हटाने की प्रक्रिया:कच्चे एसडब्ल्यूसीएनटी उत्पादों में बड़ी मात्रा में अनाकार कार्बन और धातु अवशेषों को लक्षित करते हुए, शेडोंग टैनफेंग ने अकुशल बैच एसिड धुलाई को छोड़ दिया है और निरंतर प्रतिधारा शुद्धि उपकरण विकसित किया है। एसडब्ल्यूसीएनटी को नुकसान पहुंचाए बिना, यह 2% के भीतर राख सामग्री को नियंत्रित करता है, उद्योग की अग्रणी शुद्धता प्राप्त करता है और डाउनस्ट्रीम ग्राहकों की बाद की प्रसंस्करण लागत को काफी कम करता है।
सेमीकंडक्टिंग SWCNTs के बड़े पैमाने पर पृथक्करण को बढ़ावा देना: Although absolutely high-purity (99.99%) semiconducting SWCNTs remain a research-grade material, Shandong Tanfeng can already stably provide enriched semiconducting SWCNTs (semiconducting proportion >95%) केवल 50% आयातित उत्पादों की कीमतों पर, लचीले सेंसर और उच्च {3}अंत विरोधी {{4}स्थैतिक कोटिंग्स के व्यावसायिक अनुप्रयोग के लिए अत्यधिक लागत {2} प्रभावी घरेलू विकल्प की पेशकश करता है।
उच्च गुणवत्ता वाले एकल दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब की "आसमानी उच्च कीमत" चार कारकों के संयुक्त परिणाम का परिणाम है: परमाणु स्तर की तैयारी प्रक्रियाएं, विश्व स्तर की पृथक्करण चुनौतियां, अल्पाधिकार बाजार संरचना और अंतिम प्रदर्शन प्रीमियम। जैसा कि शेडोंग टैनफेंग न्यू मटेरियल - जैसी चीनी सेनाओं सहित घरेलू उद्यम - एकल दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब के स्थानीयकरण को आगे बढ़ाना जारी रख रहे हैं, उच्च गुणवत्ता वाले कार्बन नैनोट्यूब की कीमत भविष्य में धीरे-धीरे कम होने की उम्मीद है। उच्च अंत अनुप्रयोग आवश्यकताओं वाले उद्यमों के लिए, दक्षता में सुधार के साथ फॉर्मूलेशन उन्नयन और लागत में कमी के लिए घरेलू स्तर पर उत्पादित उच्च गुणवत्ता वाले कार्बन नैनोट्यूब पेश करने का अब सबसे अच्छा समय है।