Grafit dibagi kana grafit jieunan sareng grafit alami, cadangan grafit alami anu kabuktian di dunya sakitar 2 milyar ton.
Grafit jieunan diala ku cara dekomposisi sareng perlakuan panas bahan anu ngandung karbon dina tekanan normal. Transformasi ieu meryogikeun suhu sareng énergi anu cekap luhur salaku gaya panggerak, sareng struktur anu teu teratur bakal dirobih janten struktur kristal grafit anu teratur.
Grafitisasi dina harti anu lega nyaéta bahan karbon ngaliwatan perlakuan panas suhu luhur di luhur 2000 ℃ pikeun nyusun ulang atom karbon, kumaha ogé, sababaraha bahan karbon dina suhu luhur di luhur 3000 ℃ pikeun grafitisasi, bahan karbon jenis ieu katelah "arang teuas", pikeun bahan karbon anu gampang digrafitisasi, metode grafitisasi tradisional kalebet metode suhu luhur sareng tekanan luhur, grafitisasi katalitik, metode déposisi uap kimia, jsb.
Grafitisasi mangrupikeun cara anu efektif pikeun ngamangpaatkeun bahan karbon anu bernilai tambah tinggi. Saatos panilitian anu éksténsif sareng jero ku para sarjana, ayeuna parantos dewasa. Nanging, aya sababaraha faktor anu teu nguntungkeun anu ngawatesan panggunaan grafitisasi tradisional dina industri, janten mangrupikeun tren anu teu tiasa dihindari pikeun ngajalajah metode grafitisasi énggal.
Métode éléktrolisis uyah cair ti saprak abad ka-19 parantos langkung ti hiji abad pamekaran, téori dasar sareng metode énggalna terus-terusan inovasi sareng pamekaran, ayeuna henteu deui diwatesan ku industri metalurgi tradisional, dina awal abad ka-21, logam dina sistem uyah cair persiapan réduksi éléktrolitik oksida padet logam unsur parantos janten fokus dina anu langkung aktip,
Anyar-anyar ieu, hiji metode anyar pikeun nyiapkeun bahan grafit ku éléktrolisis uyah cair parantos narik perhatian seueur jalma.
Ku cara polarisasi katodik sareng éléktrodéposisi, dua bentuk bahan baku karbon anu béda dirobih janten bahan nano-grafit kalayan nilai tambah anu luhur. Dibandingkeun sareng téknologi grafitisasi tradisional, metode grafitisasi énggal ngagaduhan kaunggulan suhu grafitisasi anu langkung handap sareng morfologi anu tiasa dikontrol.
Makalah ieu marios kamajuan grafitisasi ku metode éléktrokimia, ngenalkeun téknologi anyar ieu, nganalisis kaunggulan sareng kakuranganna, sareng ngaduga tren kamekaranana ka hareup.
Kahiji, metode polarisasi katoda éléktrolitik uyah cair
1.1 bahan baku
Ayeuna, bahan baku utama grafit jieunan nyaéta kokas jarum sareng kokas pitch kalayan tingkat grafitisasi anu luhur, nyaéta ku sésa minyak sareng tar batubara salaku bahan baku pikeun ngahasilkeun bahan karbon kualitas luhur, kalayan porositas anu handap, walirang anu handap, kandungan lebu anu handap sareng kaunggulan grafitisasi, saatos disiapkeun janten grafit gaduh résistansi anu saé kana dampak, kakuatan mékanis anu luhur, résistansi anu handap,
Nanging, cadangan minyak anu kawates sareng harga minyak anu fluktuatif parantos ngawatesan kamekaranana, janten milarian bahan baku énggal parantos janten masalah anu penting pikeun direngsekeun.
Métode grafitisasi tradisional mibanda watesan, sareng métode grafitisasi anu béda-béda ngagunakeun bahan baku anu béda-béda. Pikeun karbon anu henteu digrafitisasi, métode tradisional hésé ngagrafitisasina, sedengkeun rumus éléktrokimia éléktrolisis uyah cair nembus watesan bahan baku, sareng cocog pikeun ampir sadaya bahan karbon tradisional.
Bahan karbon tradisional kalebet karbon hideung, karbon aktif, batu bara, jsb., diantarana batu bara mangrupikeun anu paling ngajangjikeun. Tinta basis batu bara nganggo batu bara salaku prékursor sareng disiapkeun janten produk grafit dina suhu anu luhur saatos pra-perawatan.
Anyar-anyar ieu, tulisan ieu ngajukeun metode éléktrokimia anyar, sapertos Peng, ku éléktrolisis uyah cair sigana moal ngagrafitkeun karbon hideung kana kristalinitas grafit anu luhur, éléktrolisis sampel grafit anu ngandung chip nanometer grafit bentuk kelopak, gaduh luas permukaan spésifik anu luhur, nalika dianggo pikeun katoda batré litium nunjukkeun kinerja éléktrokimia anu saé langkung ti grafit alami.
Zhu et al. nempatkeun batu bara kualitas handap anu parantos diolah deashing kana sistem uyah cair CaCl2 pikeun éléktrolisis dina suhu 950 ℃, sareng hasil ngarobih batu bara kualitas handap janten grafit kalayan kristalinitas anu luhur, anu nunjukkeun kinerja laju anu saé sareng umur siklus anu panjang nalika dianggo salaku anoda batré ion litium.
Ékspérimén ieu nunjukkeun yén éta tiasa dilakukeun pikeun ngarobih rupa-rupa jinis bahan karbon tradisional kana grafit ku cara éléktrolisis uyah cair, anu muka cara anyar pikeun grafit sintétis ka hareup.
1.2 mékanisme
Métode éléktrolisis uyah cair ngagunakeun bahan karbon salaku katoda sareng ngarobihna janten grafit kalayan kristalinitas anu luhur ku cara polarisasi katodik. Ayeuna, literatur anu aya nyebatkeun panyabutan oksigén sareng pangaturan ulang atom karbon jarak jauh dina prosés konvérsi poténsial polarisasi katodik.
Ayana oksigén dina bahan karbon bakal ngahalangan grafitisasi nepi ka tingkat tertentu. Dina prosés grafitisasi tradisional, oksigén bakal dipiceun lalaunan nalika suhu langkung luhur tibatan 1600K. Nanging, éta gampang pisan pikeun ngadéoksidasi ngalangkungan polarisasi katodik.
Dina ékspérimén éta, Peng, jsb., pikeun kahiji kalina ngenalkeun mékanisme poténsial polarisasi katodik éléktrolisis uyah cair, nyaéta grafitisasi, tempat anu paling mimiti pikeun ngamimitian nyaéta ayana dina mikrosfir karbon padet/antarmuka éléktrolit, mimitina mikrosfir karbon kabentuk di sabudeureun cangkang grafit diaméter dasar anu sami, teras atom karbon anhidrat anu henteu pernah stabil nyebar ka serpihan grafit luar anu langkung stabil, dugi ka lengkep digrafitisasi.
Prosés grafitisasi dibarengan ku panyabutan oksigén, anu ogé dikonfirmasi ku ékspérimén.
Jin et al. ogé ngabuktikeun sudut pandang ieu ngaliwatan ékspérimén. Saatos karbonisasi glukosa, grafitisasi (kandungan oksigén 17%) dilaksanakeun. Saatos grafitisasi, bola karbon padet asli (Gambar 1a sareng 1c) ngabentuk cangkang porous anu diwangun ku nanosheet grafit (Gambar 1b sareng 1d).
Ku éléktrolisis serat karbon (16% oksigén), serat karbon tiasa dirobih janten tabung grafit saatos grafitisasi numutkeun mékanisme konvérsi anu dispekulasikeun dina literatur.
Dipercaya yén gerakan jarak jauh aya dina polarisasi katodik atom karbon, grafit kristal luhur kedah ngolah karbon amorf pikeun nyusun ulang, grafit sintétis bentuk kelopak unik anu nguntungkeun tina atom oksigén, tapi kumaha spésifikna mangaruhan struktur nanometer grafit teu jelas, sapertos oksigén tina rorongkong karbon saatos réaksi katoda, jsb.
Ayeuna, panalungtikan ngeunaan mékanisme ieu masih dina tahap awal, sareng diperyogikeun panalungtikan salajengna.
1.3 Karakterisasi morfologis grafit sintétis
SEM dianggo pikeun niténan morfologi permukaan mikroskopis grafit, TEM dianggo pikeun niténan morfologi struktural anu ukuranana kirang ti 0,2 μm, XRD sareng spéktroskopi Raman mangrupikeun cara anu paling umum dianggo pikeun ngacirikeun mikrostruktur grafit, XRD dianggo pikeun ngacirikeun inpormasi kristal grafit, sareng spéktroskopi Raman dianggo pikeun ngacirikeun cacad sareng tingkat ordo grafit.
Aya seueur pori-pori dina grafit anu disiapkeun ku polarisasi katoda tina éléktrolisis uyah cair. Pikeun bahan baku anu béda, sapertos éléktrolisis karbon hideung, nanostruktur porous sapertos kelopak diala. Analisis spéktrum XRD sareng Raman dilaksanakeun kana karbon hideung saatos éléktrolisis.
Dina suhu 827 ℃, saatos dirawat ku tegangan 2.6V salami 1 jam, gambar spéktral Raman karbon hideung ampir sami sareng grafit komérsial. Saatos karbon hideung dirawat ku suhu anu béda, puncak karakteristik grafit anu seukeut (002) diukur. Puncak difraksi (002) ngagambarkeun tingkat orientasi lapisan karbon aromatik dina grafit.
Beuki seukeut lapisan karbonna, beuki orientasina.
Zhu nganggo batu bara inferior anu dimurnikeun salaku katoda dina ékspérimén éta, sareng mikrostruktur produk anu digrafitisasi dirobih tina struktur grafit granular ka struktur grafit ageung, sareng lapisan grafit anu pageuh ogé dititénan dina mikroskop éléktron transmisi laju anu luhur.
Dina spéktra Raman, kalayan parobahan kaayaan ékspériméntal, nilai ID/Ig ogé robih. Nalika suhu éléktrolitik 950 ℃, waktos éléktrolitik 6 jam, sareng tegangan éléktrolitik 2.6V, nilai ID/Ig panghandapna 0.3, sareng puncak D jauh langkung handap tibatan puncak G. Dina waktos anu sami, penampilan puncak 2D ogé ngagambarkeun formasi struktur grafit anu teratur pisan.
Puncak difraksi (002) anu seukeut dina gambar XRD ogé mastikeun kasuksésan konvérsi batubara inferior jadi grafit kalayan kristalinitas anu luhur.
Dina prosés grafitisasi, kanaékan suhu sareng tegangan bakal maénkeun peran promosi, tapi tegangan anu luhur teuing bakal ngirangan hasil grafit, sareng suhu anu luhur teuing atanapi waktos grafitisasi anu panjang teuing bakal nyababkeun runtah sumber daya, janten pikeun bahan karbon anu béda-béda, penting pisan pikeun nalungtik kaayaan éléktrolitik anu paling pas, ogé fokus sareng kasusahna.
Nanostruktur serpihan anu siga kelopak ieu mibanda sipat éléktrokimia anu saé pisan. Sajumlah ageung pori-pori ngamungkinkeun ion gancang diasupkeun/di-deembed, nyayogikeun bahan katoda kualitas luhur pikeun batré, jsb. Ku kituna, metode grafitisasi éléktrokimia mangrupikeun metode grafitisasi anu poténsial pisan.
Métode éléktrodéposisi uyah cair
2.1 Éléktrodéposisi karbon dioksida
Salaku gas rumah kaca anu paling penting, CO2 ogé mangrupikeun sumber daya anu henteu toksik, henteu bahaya, murah sareng gampang diaksés. Nanging, karbon dina CO2 aya dina kaayaan oksidasi anu pangluhurna, janten CO2 gaduh stabilitas termodinamika anu luhur, anu ngajantenkeun hésé dianggo deui.
Panalungtikan pangheubeulna ngeunaan éléktrodéposisi CO2 bisa disusud deui ka taun 1960-an. Ingram et al. hasil nyiapkeun karbon dina éléktroda emas dina sistem uyah cair Li2CO3-Na2CO3-K2CO3.
Van et al. nunjukkeun yén bubuk karbon anu diala dina poténsial réduksi anu béda-béda ngagaduhan struktur anu béda-béda, kalebet grafit, karbon amorf, sareng serat nano karbon.
Ku cara néwak CO2 ku uyah lebur sareng metode persiapan bahan karbon anu suksés, saatos panalungtikan anu panjang, para sarjana parantos fokus kana mékanisme formasi déposisi karbon sareng pangaruh kaayaan éléktrolisis kana produk ahir, anu kalebet suhu éléktrolitik, tegangan éléktrolitik sareng komposisi uyah lebur sareng éléktroda, jsb., persiapan bahan grafit kinerja tinggi pikeun éléktrodéposisi CO2 parantos neundeun pondasi anu kuat.
Ku cara ngarobah éléktrolit sareng nganggo sistem uyah cair dumasar CaCl2 kalayan efisiensi nangkep CO2 anu langkung luhur, Hu et al. hasil nyiapkeun graféna kalayan tingkat grafitisasi anu langkung luhur sareng tabung nano karbon sareng struktur nanografit sanésna ku cara nalungtik kaayaan éléktrolitik sapertos suhu éléktrolisis, komposisi éléktroda sareng komposisi uyah cair.
Dibandingkeun sareng sistem karbonat, CaCl2 ngagaduhan kaunggulan nyaéta murah sareng gampang didapet, konduktivitas anu luhur, gampang leyur dina cai, sareng kalarutan ion oksigén anu langkung luhur, anu nyayogikeun kaayaan téoritis pikeun konvérsi CO2 kana produk grafit kalayan nilai tambah anu luhur.
2.2 Mékanisme Transformasi
Nyiapkeun bahan karbon anu nilai tambahna luhur ku cara éléktrodéposisi CO2 tina uyah cair utamina ngawengku panangkepan CO2 sareng réduksi teu langsung. Panangkepan CO2 réngsé ku O2- bébas dina uyah cair, sakumaha anu dipidangkeun dina Persamaan (1):
CO2+O2-→CO3 2- (1)
Ayeuna, aya tilu mékanisme réaksi réduksi teu langsung anu parantos diusulkeun: réaksi hiji léngkah, réaksi dua léngkah, sareng mékanisme réaksi réduksi logam.
Mékanisme réaksi hiji léngkah munggaran diajukeun ku Ingram, sakumaha anu dipidangkeun dina Persamaan (2):
CO3 2-+ 4E – →C+3O2- (2)
Mékanisme réaksi dua léngkah diusulkeun ku Borucka et al., sakumaha anu dipidangkeun dina Persamaan (3-4):
CO3 2-+ 2E – →CO2 2-+O2- (3)
CO2 2-+ 2E – →C+2O2- (4)
Mékanisme réaksi réduksi logam diajukeun ku Deanhardt et al. Aranjeunna yakin yén ion logam mimitina diréduksi jadi logam dina katoda, teras logam éta diréduksi jadi ion karbonat, sakumaha anu dipidangkeun dina Persamaan (5~6):
M- + E – →M (5)
4 m + M2CO3 – > C + 3 m2o (6)
Ayeuna, mékanisme réaksi hiji léngkah sacara umum ditarima dina literatur anu aya.
Yin et al. nalungtik sistem karbonat Li-Na-K kalayan nikel salaku katoda, timah dioksida salaku anoda sareng kawat pérak salaku éléktroda rujukan, sareng kéngingkeun gambar uji voltametri siklik dina Gambar 2 (laju scanning 100 mV/s) dina katoda nikel, sareng mendakan yén ngan aya hiji puncak réduksi (dina -2.0V) dina scanning négatif.
Ku kituna, tiasa disimpulkeun yén ngan ukur hiji réaksi anu lumangsung nalika réduksi karbonat.
Gao et al. kéngingkeun voltametri siklik anu sami dina sistem karbonat anu sami.
Ge et al. nganggo anoda inert sareng katoda tungsten pikeun néwak CO2 dina sistem LiCl-Li2CO3 sareng kéngingkeun gambar anu sami, sareng ngan ukur puncak réduksi déposisi karbon anu némbongan dina pamindaian négatip.
Dina sistem uyah logam alkali anu lebur, logam alkali sareng CO bakal dihasilkeun nalika karbon diendapkeun ku katoda. Nanging, kusabab kaayaan termodinamika réaksi pengendapan karbon langkung handap dina suhu anu langkung handap, ngan ukur réduksi karbonat janten karbon anu tiasa dideteksi dina ékspérimén.
2.3 Panangkepan CO2 ku uyah anu leleh pikeun nyiapkeun produk grafit
Nanomaterial grafit anu mibanda nilai tambah anu luhur sapertos graphene sareng nanotube karbon tiasa disiapkeun ku cara éléktrodéposisi CO2 tina uyah cair ku cara ngontrol kaayaan ékspériméntal. Hu et al. nganggo stainless steel salaku katoda dina sistem uyah cair CaCl2-NaCl-CaO sareng diéléktrolisis salami 4 jam dina kaayaan tegangan konstan 2.6V dina suhu anu béda-béda.
Hatur nuhun kana katalisis beusi sareng pangaruh ledakan CO antara lapisan grafit, graphene kapanggih dina permukaan katoda. Prosés persiapan graphene dipidangkeun dina Gambar 3.
Gambarna
Panilitian salajengna nambihan Li2SO4 dumasar kana sistem uyah cair CaCl2-NaClCaO, suhu éléktrolisis nyaéta 625 ℃, saatos 4 jam éléktrolisis, dina waktos anu sami dina déposisi katodik karbon kapanggih graphene sareng nanotube karbon, panilitian mendakan yén Li+ sareng SO4 2- mawa pangaruh positip kana grafitisasi.
Walirang ogé hasil diintegrasikeun kana awak karbon, sareng lambaran grafit ultra-ipis sareng karbon filamen tiasa diala ku cara ngontrol kaayaan éléktrolitik.
Bahan sapertos suhu éléktrolitik anu luhur sareng handap pikeun ngabentuk graphene penting pisan, nalika suhu anu langkung luhur tibatan 800 ℃ langkung gampang ngahasilkeun CO tinimbang karbon, ampir teu aya déposisi karbon nalika langkung luhur tibatan 950 ℃, janten kontrol suhu penting pisan pikeun ngahasilkeun graphene sareng nanotube karbon, sareng mulangkeun sinergi réaksi déposisi karbon pikeun mastikeun yén katoda ngahasilkeun graphene anu stabil.
Ieu karya nyadiakeun metode anyar pikeun nyiapkeun produk nano-grafit ku CO2, anu penting pisan pikeun leyuran gas rumah kaca sareng persiapan graféna.
3. Ringkesan sareng Pandangan
Kalayan kamekaran industri énergi anyar anu gancang, grafit alami teu tiasa minuhan paménta ayeuna, sareng grafit jieunan gaduh sipat fisik sareng kimia anu langkung saé tibatan grafit alami, janten grafitisasi anu murah, efisien sareng ramah lingkungan mangrupikeun tujuan jangka panjang.
Métode éléktrokimia grafitisasi dina bahan baku padet sareng gas nganggo metode polarisasi katodik sareng déposisi éléktrokimia hasil dikaluarkeun tina bahan grafit kalayan nilai tambah anu luhur, dibandingkeun sareng cara grafitisasi tradisional, metode éléktrokimia gaduh efisiensi anu langkung luhur, konsumsi énergi anu langkung handap, perlindungan lingkungan anu héjo, pikeun bahan-bahan alit anu diwatesan dina waktos anu sami, numutkeun kaayaan éléktrolisis anu béda-béda tiasa disiapkeun dina morfologi struktur grafit anu béda.
Ieu nyadiakeun cara anu efektif pikeun sadaya jinis karbon amorf sareng gas rumah kaca dirobih janten bahan grafit nano-terstruktur anu berharga sareng gaduh prospek aplikasi anu saé.
Ayeuna, téknologi ieu masih kénéh dina tahap awal. Aya saeutik pisan panilitian ngeunaan grafitisasi ku metode éléktrokimia, sareng masih seueur prosés anu teu acan dipikanyaho. Ku kituna, perlu dimimitian ti bahan baku sareng ngalaksanakeun panilitian anu komprehensif sareng sistematis ngeunaan rupa-rupa karbon amorf, sareng dina waktos anu sami ngajalajah termodinamika sareng dinamika konvérsi grafit dina tingkat anu langkung jero.
Ieu gaduh harti anu jauh pikeun kamekaran industri grafit di masa depan.
Waktos posting: 10-Méi-2021