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Grant: Collaborative Research and Development Grants

Université de Sherbrooke

$135,270.00

Continuous Synthesis of Single-Walled Carbon Nanotubes with Thermal Plasma Technology / Synthèse continue de nanotubes de carbone monoparoi par la technologie des plasmas thermiques

EF 2011-12

Résumé
Excellent physicochemical properties of single-walled carbon nanotubes (SWC NTs) make them good candidates for many applications ranging from lightweight materials for transportations to new catalytic supports for other functional materials. In a collaborative effort between the Université de Sherbooke (UdeS), the Steacie Institute for Molecular Sciences of the National Research Council of Canada (SIMS-NRC) and Raymor Industries inc., a new 50-kW induction thermal plasma system has been designed, built and started up for industrial-scale mass production of SWCNTs. The synthesis process is based on the evaporation of the carbon-containing raw materials by using a radio frequency (RF) plasma torch as a heat source to activate generation of the precursor species involved in the formation of SWCNTs. In the last 4 years, UdeS and NRC-SIMS has successfully demonstrated, with this RF inductively coupled plasma reactor, that SWCNTs can be permanently synthesized at a purity level of above 30 %, with a fraction of the cost of conventional technologies. To realize the industrial applications, however, practical methods for precise control of nanostructure of SWCNTs and direct modification of their chemical properties are essentially required to tailor their functional performance specifically. In this project, it is proposed to design an economically viable reactor and an operational protocol capable of producing a minimum of 1 kg of product material containing at least 60 wt% SWCNTs per day. This goal will only be realized through optimizing the feeding rate of the powder feeder, upgrading the data acquisition system, controlling the mass balance of the system, characterizing different types of the reactant mixtures containing carbon blacks and the metal catalysts and finally designing a high-flow gas recycling system to reduce gas operating cost. *********************************** ? cause de leurs propriétés physico-chimiques exceptionnelles, les nanotubes de carbone mono-paroi (NCMPs) sont considérés le matériel par excellence pour beaucoup d'applications s'étendant des matériaux avancés d'aéronautique à de nouveaux dispositifs et sondes électroniques. Grâce à la collaboration scientifique entre l'Université de Sherbooke (UdeS), l'Institut Steacie des Sciences Moléculaires du Conseil National de Recherche Canada (NRC-SIMS) et Raymor Industries inc., un nouveau système de plasma thermique d'induction a été conçu, construit et mis en opération pour la synthèse en continu de grandes quantités des NCMPs. Le procédé de synthèse est basé sur l'évaporation de la matière première en utilisant une torche de plasma thermique de radio fréquence (RF) comme source d'énergie pour activer les espèces précurseures impliquées dans la formation des NCMPs. Au cours des 4 dernières années, l'UdeS et le NRC-SIMS ont démontré que les NCMPs peuvent être synthétisés en continu et à une fraction du coût des technologies courantes, à l'aide de ce réacteur à plasma d'induction. Les analyses de caractérisation ont prouvé que les NCMPs sont actuellement synthétisés à un niveau de pureté au-dessus de 30%. Étant donné que la technologie du plasma thermique est industriellement applicable, la synthèse industrielle de NCMPs est maintenant possible. Dans ce projet, il est proposé de concevoir une nouvelle génération du réacteur pour accroître sa viabilité et de développer un protocole capable de produire un minimum de 1kg par jour de matériel contenant au moins 60 % de NCMPs. Cet objectif sera réalisé en modifiant l'alimentation de poudres pour avoir une débit stable, en ajoutant un système d'acquisition en continu des variables de procédés, en obtenant un meilleur bilan de masse et en caractérisant de façon plus approfondie les NCMPs. Un mélange amélioré de catalyseurs y sera aussi abordé. Finalement, il sera proposé un protocole pour recycler l'hélium afin de minimiser les coûts d'opération.
Programme
Collaborative Research and Development Grants
Emplacement
Quebec, Canada
Type de bénéficiaire
Academia
Type
Grant
Source
NSERC's Awards Data

Tel que publié

Application id
411910-2010
Name nom
Soucy, Gervais
Department département
Génie chimique et génie biotechnologique
Organization id
68
Institution établissement
Université de Sherbrooke
Province en
Québec
Province fr
Québec
Country en
CANADA
Country fr
CANADA
Fiscal year exercice financier
2011
Competition year année de concours
2010
Award amount
135270
Program id
CRDPJ
Program nane en
Collaborative Research and Development Grants
Program name fr
Subventions de recherche et développement coopérative
Group en
Research partnerships programs
Group fr
Programmes de partenariat
Committee code
96
Committee name en
RPP Internal Decision Cttee
Committee name fr
Cté de décision interne - PPR
Area of application code
500
Area of application group en
Manufacturing processes and products
Area of application group fr
Procédés et produits industriels
Area of application en
Manufacturing processes and products
Area of application fr
Procédés et produits industriels
Research subject code
2002
Research subject group en
Materials science and technology
Research subject group fr
Science et technologie des matériaux
Research subject en
Materials processing
Research subject fr
Transformation des matériaux
Partie
1
Nb partie
2
Application title
Continuous Synthesis of Single-Walled Carbon Nanotubes with Thermal Plasma Technology / Synthèse continue de nanotubes de carbone monoparoi par la technologie des plasmas thermiques
Keyword
NSERC
Application summary
Excellent physicochemical properties of single-walled carbon nanotubes (SWC NTs) make them good candidates for many applications ranging from lightweight materials for transportations to new catalytic supports for other functional materials. In a collaborative effort between the Université de Sherbooke (UdeS), the Steacie Institute for Molecular Sciences of the National Research Council of Canada (SIMS-NRC) and Raymor Industries inc., a new 50-kW induction thermal plasma system has been designed, built and started up for industrial-scale mass production of SWCNTs. The synthesis process is based on the evaporation of the carbon-containing raw materials by using a radio frequency (RF) plasma torch as a heat source to activate generation of the precursor species involved in the formation of SWCNTs. In the last 4 years, UdeS and NRC-SIMS has successfully demonstrated, with this RF inductively coupled plasma reactor, that SWCNTs can be permanently synthesized at a purity level of above 30 %, with a fraction of the cost of conventional technologies. To realize the industrial applications, however, practical methods for precise control of nanostructure of SWCNTs and direct modification of their chemical properties are essentially required to tailor their functional performance specifically. In this project, it is proposed to design an economically viable reactor and an operational protocol capable of producing a minimum of 1 kg of product material containing at least 60 wt% SWCNTs per day. This goal will only be realized through optimizing the feeding rate of the powder feeder, upgrading the data acquisition system, controlling the mass balance of the system, characterizing different types of the reactant mixtures containing carbon blacks and the metal catalysts and finally designing a high-flow gas recycling system to reduce gas operating cost. *********************************** ? cause de leurs propriétés physico-chimiques exceptionnelles, les nanotubes de carbone mono-paroi (NCMPs) sont considérés le matériel par excellence pour beaucoup d'applications s'étendant des matériaux avancés d'aéronautique à de nouveaux dispositifs et sondes électroniques. Grâce à la collaboration scientifique entre l'Université de Sherbooke (UdeS), l'Institut Steacie des Sciences Moléculaires du Conseil National de Recherche Canada (NRC-SIMS) et Raymor Industries inc., un nouveau système de plasma thermique d'induction a été conçu, construit et mis en opération pour la synthèse en continu de grandes quantités des NCMPs. Le procédé de synthèse est basé sur l'évaporation de la matière première en utilisant une torche de plasma thermique de radio fréquence (RF) comme source d'énergie pour activer les espèces précurseures impliquées dans la formation des NCMPs. Au cours des 4 dernières années, l'UdeS et le NRC-SIMS ont démontré que les NCMPs peuvent être synthétisés en continu et à une fraction du coût des technologies courantes, à l'aide de ce réacteur à plasma d'induction. Les analyses de caractérisation ont prouvé que les NCMPs sont actuellement synthétisés à un niveau de pureté au-dessus de 30%. Étant donné que la technologie du plasma thermique est industriellement applicable, la synthèse industrielle de NCMPs est maintenant possible. Dans ce projet, il est proposé de concevoir une nouvelle génération du réacteur pour accroître sa viabilité et de développer un protocole capable de produire un minimum de 1kg par jour de matériel contenant au moins 60 % de NCMPs. Cet objectif sera réalisé en modifiant l'alimentation de poudres pour avoir une débit stable, en ajoutant un système d'acquisition en continu des variables de procédés, en obtenant un meilleur bilan de masse et en caractérisant de façon plus approfondie les NCMPs. Un mélange amélioré de catalyseurs y sera aussi abordé. Finalement, il sera proposé un protocole pour recycler l'hélium afin de minimiser les coûts d'opération.