Il-grafita hija maqsuma fi grafita artifiċjali u grafita naturali, ir-riżervi ppruvati tad-dinja ta 'grafita naturali f'madwar 2 biljun tunnellata.
Il-grafita artifiċjali tinkiseb mid-dekompożizzjoni u t-trattament bis-sħana ta 'materjali li fihom il-karbonju taħt pressjoni normali.Din it-trasformazzjoni teħtieġ temperatura u enerġija għolja biżżejjed bħala l-forza li tmexxi, u l-istruttura diżordinata se tiġi trasformata fi struttura ordnata tal-kristall tal-grafita.
Il-grafitizzazzjoni hija fl-iktar sens wiesa 'tal-materjal karboniku permezz ta' arranġament mill-ġdid ta 'atomi tal-karbonju ta' trattament bis-sħana ta 'aktar minn 2000 ℃, madankollu xi materjali tal-karbonju fit-temperatura għolja 'l fuq minn grafitizzazzjoni ta' 3000 ℃, dan it-tip ta 'materjali tal-karbonju kien magħruf bħala "faħam iebes", għal materjali tal-karbonju grafitizzat faċli, il-metodu ta 'grafitizzazzjoni tradizzjonali jinkludi metodu ta' temperatura għolja u pressjoni għolja, grafitizzazzjoni katalitika, metodu ta 'depożizzjoni ta' fwar kimiku, eċċ.
Il-grafitizzazzjoni hija mezz effettiv ta 'utilizzazzjoni ta' valur miżjud għoli ta 'materjali karboniċi.Wara riċerka estensiva u fil-fond minn studjużi, issa hija bażikament matura.Madankollu, xi fatturi sfavorevoli jillimitaw l-applikazzjoni tal-grafitizzazzjoni tradizzjonali fl-industrija, għalhekk hija tendenza inevitabbli li jiġu esplorati metodi ġodda ta 'grafitizzazzjoni.
Metodu ta 'elettroliżi tal-melħ imdewweb sa mis-seklu 19 kien aktar minn seklu ta' żvilupp, it-teorija bażika u l-metodi ġodda tiegħu huma kontinwament innovazzjoni u żvilupp, issa m'għadux limitat għall-industrija metallurġika tradizzjonali, fil-bidu tas-seklu 21, il-metall f' is-sistema tal-melħ imdewweb il-preparazzjoni tat-tnaqqis elettrolitiku tal-ossidu solidu tal-metalli elementali saru l-fokus fl-aktar attiv,
Riċentement, metodu ġdid għall-preparazzjoni ta 'materjali tal-grafita bl-elettroliżi tal-melħ imdewweb ġibed ħafna attenzjoni.
Permezz ta 'polarizzazzjoni katodika u elettrodepożizzjoni, iż-żewġ forom differenti ta' materja prima tal-karbonju huma trasformati f'materjali nano-grafit b'valur miżjud għoli.Meta mqabbel mat-teknoloġija tradizzjonali tal-grafitizzazzjoni, il-metodu l-ġdid tal-grafitizzazzjoni għandu l-vantaġġi ta 'temperatura ta' grafitizzazzjoni aktar baxxa u morfoloġija kontrollabbli.
Dan id-dokument jirrevedi l-progress tal-grafitizzazzjoni b'metodu elettrokimiku, jintroduċi din it-teknoloġija ġdida, janalizza l-vantaġġi u l-iżvantaġġi tiegħu, u jipprospetta t-tendenza ta 'żvilupp futur tiegħu.
L-ewwel, melħ imdewweb metodu ta 'polarizzazzjoni katodu elettrolitiku
1.1 il-materja prima
Fil-preżent, il-materja prima ewlenija tal-grafita artifiċjali hija kokk tal-labra u kokk taż-żift ta 'grad għoli ta' grafitizzazzjoni, jiġifieri mill-fdal taż-żejt u qatran tal-faħam bħala materja prima biex jipproduċu materjali tal-karbonju ta 'kwalità għolja, b'porożità baxxa, kubrit baxx, irmied baxx kontenut u vantaġġi tal-grafitizzazzjoni, wara li l-preparazzjoni tagħha fil-grafita għandha reżistenza tajba għall-impatt, saħħa mekkanika għolja, reżistenza baxxa,
Madankollu, riżervi taż-żejt limitati u prezzijiet taż-żejt li jvarjaw illimitaw l-iżvilupp tagħha, għalhekk it-tfittxija ta 'materja prima ġdida saret problema urġenti li għandha tiġi solvuta.
Metodi ta 'grafitizzazzjoni tradizzjonali għandhom limitazzjonijiet, u metodi ta' grafitizzazzjoni differenti jużaw materja prima differenti.Għal karbonju mhux grafitizzat, metodi tradizzjonali ma tantx jistgħu graphitizeha, filwaqt li l-formula elettrokimika tal-elettroliżi tal-melħ imdewweb tkisser mill-limitazzjoni tal-materja prima, u hija adattata għal kważi l-materjali tal-karbonju tradizzjonali kollha.
Materjali tal-karbonju tradizzjonali jinkludu iswed tal-karbonju, karbonju attivat, faħam, eċċ., fosthom il-faħam huwa l-aktar wieħed promettenti.Il-linka bbażata fuq il-faħam tieħu l-faħam bħala l-prekursur u hija ppreparata fi prodotti tal-grafita f'temperatura għolja wara t-trattament minn qabel.
Riċentement, dan id-dokument jipproponi metodi elettrokimiċi ġodda, bħal Peng, permezz ta 'elettroliżi tal-melħ imdewweb huwa improbabbli li grafitizzat iswed tal-karbonju fil-kristallinità għolja tal-grafita, l-elettroliżi ta' kampjuni tal-grafita li fihom iċ-ċipep nanometru tal-grafita forma petali, għandha erja tal-wiċċ speċifika għolja, meta użat għall-katodu tal-batterija tal-litju wera prestazzjoni elettrokimika eċċellenti aktar minn grafita naturali.
Zhu et al.poġġi l-faħam ta 'kwalità baxxa trattat deashing fis-sistema tal-melħ imdewweb CaCl2 għall-elettroliżi f'950 ℃, u ttrasforma b'suċċess il-faħam ta' kwalità baxxa f'grafita b'kristallinità għolja, li wera prestazzjoni ta 'rata tajba u ħajja ta' ċiklu twil meta użat bħala anodu tal-batterija tal-jone tal-litju .
L-esperiment juri li huwa fattibbli li jiġu kkonvertiti tipi differenti ta 'materjali tradizzjonali tal-karbonju f'grafita permezz ta' elettroliżi tal-melħ imdewweb, li tiftaħ mod ġdid għall-grafita sintetika futura.
1.2 il-mekkaniżmu ta
Il-metodu ta 'elettroliżi tal-melħ imdewweb juża materjal tal-karbonju bħala katodu u jikkonvertih f'grafita b'kristallinità għolja permezz ta' polarizzazzjoni katodika.Fil-preżent, il-letteratura eżistenti ssemmi t-tneħħija tal-ossiġnu u l-arranġament mill-ġdid fuq distanza twila tal-atomi tal-karbonju fil-proċess ta 'konverżjoni potenzjali tal-polarizzazzjoni katodika.
Il-preżenza ta 'ossiġnu fil-materjali tal-karbonju se tfixkel il-grafitizzazzjoni sa ċertu punt.Fil-proċess ta 'grafitizzazzjoni tradizzjonali, l-ossiġnu se jitneħħa bil-mod meta t-temperatura tkun ogħla minn 1600K.Madankollu, huwa estremament konvenjenti li jiġi deossidat permezz ta 'polarizzazzjoni katodika.
Peng, eċċ fl-esperimenti għall-ewwel darba ressaq il-mekkaniżmu potenzjali ta 'polarizzazzjoni katodika tal-elettroliżi tal-melħ imdewweb, jiġifieri l-grafitizzazzjoni l-aktar il-post biex tibda għandha tkun tinsab f'mikrosferi tal-karbonju solidu/interface tal-elettroliti, l-ewwel forma ta' mikrosfera tal-karbonju madwar l-istess dijametru bażiku qoxra tal-grafita, u mbagħad qatt ma atomi tal-karbonju anidru stabbli tal-karbonju jinfirxu għal saffi tal-grafita ta 'barra aktar stabbli, sakemm kompletament grafitizzat,
Il-proċess ta 'grafitizzazzjoni huwa akkumpanjat mit-tneħħija ta' l-ossiġnu, li hija kkonfermata wkoll minn esperimenti.
Jin et al.wera wkoll dan il-lat permezz ta' esperimenti.Wara l-karbonizzazzjoni tal-glukożju, saret grafitizzazzjoni (kontenut ta 'ossiġnu ta' 17%).Wara l-grafitizzazzjoni, l-isferi oriġinali tal-karbonju solidu (Fig. 1a u 1c) iffurmaw qoxra poruża magħmula minn nanosheets tal-grafita (Fig. 1b u 1d).
Permezz ta 'elettroliżi ta' fibri tal-karbonju (16% ossiġnu), il-fibri tal-karbonju jistgħu jiġu kkonvertiti f'tubi tal-grafita wara grafitizzazzjoni skond il-mekkaniżmu ta 'konverżjoni spekulat fil-letteratura
Maħsub li, il-moviment fuq distanza twila huwa taħt polarizzazzjoni katodika ta ' l-atomi tal-karbonju l-grafita kristall għolja għal karbonju amorfu rranġati mill-ġdid għandhom jipproċessaw, petali sintetiċi grafita uniċi forma nanostrutturi bbenefikaw minn atomi ta ' l-ossiġnu minn, iżda l-ispeċifiċi kif jinfluwenzaw l-istruttura nanometru tal-grafita mhix ċara, bħall-ossiġnu mill-iskeletru tal-karbonju wara kif fir-reazzjoni tal-katodu, eċċ.,
Fil-preżent, ir-riċerka dwar il-mekkaniżmu għadha fl-istadju inizjali, u hija meħtieġa aktar riċerka.
1.3 Karatterizzazzjoni morfoloġika tal-grafita sintetika
SEM jintuża biex josserva l-morfoloġija tal-wiċċ mikroskopiku tal-grafita, TEM jintuża biex josserva l-morfoloġija strutturali ta 'inqas minn 0.2 μm, XRD u spettroskopija Raman huma l-aktar mezzi użati komunement biex jikkaratterizzaw il-mikrostruttura tal-grafita, XRD jintuża biex jikkaratterizza l-kristall informazzjoni tal-grafita, u l-ispettroskopija Raman tintuża biex tikkaratterizza d-difetti u l-grad tal-ordni tal-grafita.
Hemm ħafna pori fil-grafita ppreparata bil-polarizzazzjoni tal-katodu tal-elettroliżi tal-melħ imdewweb.Għal materja prima differenti, bħall-elettroliżi tal-karbonju iswed, jinkisbu nanostrutturi porużi bħal petali.L-analiżi tal-ispettru XRD u Raman jitwettqu fuq l-iswed tal-karbonju wara l-elettroliżi.
F'827 ℃, wara li tiġi ttrattata b'vultaġġ ta '2.6V għal 1h, l-immaġni spettrali Raman tal-iswed tal-karbonju hija kważi l-istess bħal dik tal-grafita kummerċjali.Wara li l-iswed tal-karbonju jiġi ttrattat b'temperaturi differenti, titkejjel il-quċċata karatteristika tal-grafita li jaqtgħu (002).Il-quċċata tad-diffrazzjoni (002) tirrappreżenta l-grad ta 'orjentazzjoni tas-saff tal-karbonju aromatiku fil-grafita.
Aktar ma s-saff tal-karbonju jkun qawwi, iktar ikun orjentat.
Zhu uża l-faħam inferjuri purifikat bħala l-katodu fl-esperiment, u l-mikrostruttura tal-prodott grafitizzat ġiet trasformata minn struttura tal-grafita granulari għal struttura kbira, u s-saff tal-grafita stretta kien osservat ukoll taħt il-mikroskopju elettroniku ta 'trasmissjoni ta' rata għolja.
Fl-ispettri Raman, bil-bidla tal-kundizzjonijiet sperimentali, il-valur ID/Ig inbidel ukoll.Meta t-temperatura elettrolitika kienet 950 ℃, il-ħin elettrolitiku kien 6h, u l-vultaġġ elettrolitiku kien 2.6V, l-inqas valur ID/Ig kien 0.3, u l-quċċata D kienet ħafna aktar baxxa mill-quċċata G.Fl-istess ħin, id-dehra tal-quċċata 2D irrappreżenta wkoll il-formazzjoni ta 'struttura tal-grafita ordnata ħafna.
Il-quċċata tad-diffrazzjoni qawwija (002) fl-immaġni XRD tikkonferma wkoll il-konverżjoni b'suċċess ta 'faħam inferjuri f'grafita b'kristallinità għolja.
Fil-proċess ta 'grafitizzazzjoni, iż-żieda tat-temperatura u l-vultaġġ se jkollha rwol ta' promozzjoni, iżda vultaġġ għoli wisq inaqqas ir-rendiment tal-grafita, u temperatura għolja wisq jew ħin ta 'grafitizzazzjoni twil wisq iwassal għall-ħela ta' riżorsi, għalhekk għal materjali tal-karbonju differenti , huwa partikolarment importanti li tesplora l-kundizzjonijiet elettrolitiċi l-aktar xierqa, hija wkoll il-fokus u d-diffikultà.
Din in-nanostruttura tal-flake bħal petali għandha proprjetajiet elettrokimiċi eċċellenti.Numru kbir ta 'pori jippermettu li jonji jiġu mdaħħla/deembedded malajr, li jipprovdu materjali ta' katodu ta 'kwalità għolja għal batteriji, eċċ Għalhekk, il-grafitizzazzjoni tal-metodu elettrokimiku huwa metodu ta' grafitizzazzjoni potenzjali ħafna.
Metodu ta 'elettrodepożizzjoni tal-melħ imdewweb
2.1 Elettrodepożizzjoni tad-dijossidu tal-karbonju
Bħala l-aktar gass serra importanti, is-CO2 huwa wkoll riżorsa rinnovabbli mhux tossika, li ma tagħmilx ħsara, irħisa u faċilment disponibbli.Madankollu, il-karbonju fis-CO2 jinsab fl-ogħla stat ta 'ossidazzjoni, għalhekk is-CO2 għandu stabbiltà termodinamika għolja, li jagħmilha diffiċli biex jerġa' jintuża.
L-aktar riċerka bikrija dwar l-elettrodepożizzjoni tas-CO2 tista’ tiġi rintraċċata lura għas-snin sittin.Ingram et al.karbonju ippreparat b'suċċess fuq elettrodu tad-deheb fis-sistema tal-melħ imdewweb ta 'Li2CO3-Na2CO3-K2CO3.
Van et al.irrimarka li t-trabijiet tal-karbonju miksuba f'potenzjali ta 'tnaqqis differenti kellhom strutturi differenti, inklużi grafita, karbonju amorfu u nanofibri tal-karbonju.
Permezz ta 'melħ imdewweb biex jaqbad is-CO2 u l-metodu ta' preparazzjoni tas-suċċess tal-materjal tal-karbonju, wara perjodu twil ta 'riċerka, l-istudjużi ffukaw fuq il-mekkaniżmu tal-formazzjoni tad-depożizzjoni tal-karbonju u l-effett tal-kundizzjonijiet tal-elettroliżi fuq il-prodott finali, li jinkludu temperatura elettrolitika, vultaġġ elettrolitiku u l-kompożizzjoni ta' melħ imdewweb u elettrodi, eċċ., Il-preparazzjoni ta 'prestazzjoni għolja ta' materjali tal-grafita għall-elettrodepożizzjoni ta 'CO2 stabbiliet pedament sod.
Billi tbiddel l-elettrolit u tuża sistema ta 'melħ imdewweb ibbażata fuq CaCl2 b'effiċjenza ogħla ta' qbid tas-CO2, Hu et al.ippreparat b'suċċess graphene bi grad ogħla ta 'grafitizzazzjoni u nanotubi tal-karbonju u strutturi oħra nanographite billi studja kundizzjonijiet elettrolitiċi bħal temperatura tal-elettroliżi, kompożizzjoni tal-elettrodu u kompożizzjoni tal-melħ imdewweb.
Meta mqabbel mas-sistema tal-karbonat, CaCl2 għandu l-vantaġġi ta 'rħis u faċli biex jinkiseb, konduttività għolja, faċli biex tinħall fl-ilma, u solubilità ogħla ta' joni tal-ossiġnu, li jipprovdu kundizzjonijiet teoretiċi għall-konverżjoni ta 'CO2 fi prodotti tal-grafita b'valur miżjud għoli.
2.2 Mekkaniżmu ta' Trasformazzjoni
Il-preparazzjoni ta 'materjali tal-karbonju b'valur miżjud għoli permezz ta' elettrodepożizzjoni ta 'CO2 minn melħ imdewweb prinċipalment tinkludi qbid tas-CO2 u tnaqqis indirett.Il-qbid tas-CO2 jitlesta b'O2- ħieles fil-melħ imdewweb, kif muri fl-Ekwazzjoni (1):
CO2+O2-→CO3 2- (1)
Fil-preżent, ġew proposti tliet mekkaniżmi ta 'reazzjoni ta' tnaqqis indirett: reazzjoni f'pass wieħed, reazzjoni f'żewġ stadji u mekkaniżmu ta 'reazzjoni ta' tnaqqis tal-metall.
Il-mekkaniżmu ta' reazzjoni f'pass wieħed ġie propost l-ewwel minn Ingram, kif muri fl-Ekwazzjoni (2):
CO3 2-+ 4E – →C+3O2- (2)
Il-mekkaniżmu ta' reazzjoni f'żewġ stadji ġie propost minn Borucka et al., Kif muri fl-Ekwazzjoni (3-4):
CO3 2-+ 2E – →CO2 2-+O2- (3)
CO2 2-+ 2E – →C+2O2- (4)
Il-mekkaniżmu tar-reazzjoni tat-tnaqqis tal-metall ġie propost minn Deanhardt et al.Huma jemmnu li l-joni tal-metall l-ewwel tnaqqsu għal metall fil-katodu, u mbagħad il-metall tnaqqas għal joni tal-karbonat, kif muri fl-Ekwazzjoni (5 ~ 6):
M- + E – →M (5)
4 m + M2CO3 – > C + 3 m2o (6)
Fil-preżent, il-mekkaniżmu ta 'reazzjoni ta' pass wieħed huwa ġeneralment aċċettat fil-letteratura eżistenti.
Yin et al.studja s-sistema tal-karbonat Li-Na-K bin-nikil bħala katodu, dijossidu tal-landa bħala anodu u wajer tal-fidda bħala elettrodu ta 'referenza, u kiseb il-figura tat-test tal-voltametrija ċiklika fil-Figura 2 (rata ta' skannjar ta '100 mV/s) f'katodu tan-nikil, u sabet li kien hemm quċċata waħda biss ta 'tnaqqis (f'-2.0V) fl-iskannjar negattiv.
Għalhekk, jista 'jiġi konkluż li reazzjoni waħda biss seħħet waqt it-tnaqqis tal-karbonat.
Gao et al.kiseb l-istess voltametrija ċiklika fl-istess sistema karbonat.
Ge et al.uża anodu inert u katodu tat-tungstenu biex jaqbad is-CO2 fis-sistema LiCl-Li2CO3 u kiseb immaġini simili, u biss quċċata ta 'tnaqqis tad-depożizzjoni tal-karbonju deher fl-iskannjar negattiv.
Fis-sistema tal-melħ imdewweb tal-metall alkalin, metalli alkali u CO se jiġu ġġenerati filwaqt li l-karbonju jiġi depożitat mill-katodu.Madankollu, minħabba li l-kundizzjonijiet termodinamiċi tar-reazzjoni tad-depożizzjoni tal-karbonju huma aktar baxxi f'temperatura aktar baxxa, it-tnaqqis tal-karbonat għall-karbonju biss jista 'jiġi skopert fl-esperiment.
2.3 Qbid tas-CO2 bil-melħ imdewweb biex jipprepara prodotti tal-grafita
Nanomaterjali tal-grafita b'valur miżjud għoli bħal graphene u nanotubi tal-karbonju jistgħu jiġu ppreparati b'elettrodepożizzjoni ta' CO2 minn melħ imdewweb billi jiġu kkontrollati kundizzjonijiet sperimentali.Hu et al.uża l-istainless steel bħala katodu fis-sistema tal-melħ imdewweb CaCl2-NaCl-CaO u elettrolizzat għal 4h taħt il-kundizzjoni ta 'vultaġġ kostanti ta' 2.6V f'temperaturi differenti.
Grazzi għall-katalisi tal-ħadid u l-effett splussiv tas-CO bejn is-saffi tal-grafita, instab graphene fuq il-wiċċ tal-katodu.Il-proċess ta 'preparazzjoni tal-grafene huwa muri fil-Fig. 3.
L-istampa
Studji aktar tard żiedu Li2SO4 fuq il-bażi tas-sistema tal-melħ imdewweb CaCl2-NaClCaO, it-temperatura tal-elettroliżi kienet 625 ℃, wara 4h ta 'elettroliżi, fl-istess ħin fid-depożizzjoni katodika tal-karbonju misjuba graphene u nanotubi tal-karbonju, l-istudju sab li Li + u SO4 2 - li jġib effett pożittiv fuq il-grafitizzazzjoni.
Il-kubrit huwa wkoll integrat b'suċċess fil-korp tal-karbonju, u folji tal-grafita ultra-rqaq u karbonju filamentoż jistgħu jinkisbu billi jiġu kkontrollati l-kundizzjonijiet elettrolitiċi.
Materjal bħat-temperatura elettrolitika ta 'għoli u baxxi għall-formazzjoni ta' graphene huwa kritiku, meta t-temperatura ogħla minn 800 ℃ hija aktar faċli biex tiġġenera CO minflok karbonju, kważi l-ebda depożizzjoni ta 'karbonju meta ogħla minn 950 ℃, għalhekk il-kontroll tat-temperatura huwa estremament importanti biex tipproduċi graphene u nanotubi tal-karbonju, u tirrestawra l-ħtieġa sinerġija ta 'reazzjoni ta' depożizzjoni tal-karbonju ta 'CO reazzjoni biex tiżgura li l-katodu jiġġenera graphene stabbli.
Dawn ix-xogħlijiet jipprovdu metodu ġdid għall-preparazzjoni ta 'prodotti nano-grafita bis-CO2, li huwa ta' sinifikat kbir għas-soluzzjoni ta 'gassijiet serra u preparazzjoni ta' graphene.
3. Sommarju u Outlook
Bl-iżvilupp mgħaġġel ta 'industrija tal-enerġija ġdida, il-grafita naturali ma setgħetx tissodisfa d-domanda attwali, u l-grafita artifiċjali għandha proprjetajiet fiżiċi u kimiċi aħjar mill-grafita naturali, għalhekk il-grafit irħis, effiċjenti u favur l-ambjent huwa għan fit-tul.
Il-grafitizzazzjoni ta 'metodi elettrokimiċi f'materja prima solida u gassuża bil-metodu ta' polarizzazzjoni katodika u depożizzjoni elettrokimika kienet b'suċċess barra mill-materjali tal-grafita b'valur miżjud għoli, meta mqabbla mal-mod tradizzjonali ta 'grafitizzazzjoni, il-metodu elettrokimiku huwa ta' effiċjenza ogħla, konsum aktar baxx ta 'enerġija, protezzjoni ambjentali aħdar, għal żgħar limitati minn materjali selettivi fl-istess ħin, skond il-kondizzjonijiet ta ' l-elettroliżi differenti jistgħu jiġu ppreparati fil-morfoloġija differenti ta ' l-istruttura tal-grafita,
Jipprovdi mod effettiv għat-tipi kollha ta 'karbonju amorfu u gassijiet serra biex jiġu kkonvertiti f'materjali tal-grafita nanostrutturati ta' valur u għandu prospett ta 'applikazzjoni tajjeb.
Fil-preżent, din it-teknoloġija tinsab fil-bidu tagħha.Hemm ftit studji dwar il-grafitizzazzjoni b'metodu elettrokimiku, u għad hemm ħafna proċessi mhux magħrufa.Għalhekk, huwa meħtieġ li tibda mill-materja prima u twettaq studju komprensiv u sistematiku fuq diversi karbonijiet amorfi, u fl-istess ħin tesplora t-termodinamika u d-dinamika tal-konverżjoni tal-grafita f'livell aktar profond.
Dawn għandhom sinifikat estensiv għall-iżvilupp futur tal-industrija tal-grafita.
Ħin tal-post: Mejju-10-2021