Grafit dibagi kana grafit jieunan jeung grafit alam, cadangan kabuktian dunya grafit alam kira 2 milyar ton.
Grafit jieunan diala ku dékomposisi jeung perlakuan panas bahan karbon-ngandung dina tekenan normal.Transformasi ieu ngabutuhkeun suhu sareng énergi anu cukup luhur salaku gaya nyetir, sareng struktur anu teu kaganggu bakal dirobih janten struktur kristal grafit anu teratur.
Graphitization aya dina rasa broadest tina bahan carbonaceous ngaliwatan luhur 2000 ℃ perlakuan panas suhu luhur penyusunan ulang atom karbon, kumaha oge sababaraha bahan karbon dina suhu luhur 3000 ℃ graphitization, jenis ieu bahan karbon ieu dipikawanoh salaku "areng teuas", pikeun bahan karbon gampang graphitized, métode graphitization tradisional kaasup suhu luhur jeung métode tekanan tinggi, graphitization katalitik, métode déposisi uap kimiawi, jsb.
Grafitisasi mangrupikeun cara anu épéktip pikeun ngamangpaatkeun nilai tambah luhur bahan karbon.Sanggeus panalungtikan éksténsif jeung teleb ku sarjana, dasarna geus dewasa ayeuna.Tapi, sababaraha faktor anu henteu nguntungkeun ngawatesan aplikasi grafitisasi tradisional dina industri, janten mangrupikeun tren anu teu tiasa dihindari pikeun ngajalajah metode grafitisasi énggal.
Métode éléktrolisis uyah molten saprak abad ka-19 éta leuwih ti hiji abad pangwangunan, téori dasar sarta métode anyar anu terus inovasi sarta ngembangkeun, ayeuna geus euweuh dugi ka industri metalurgi tradisional, dina awal abad ka-21, logam di sistem uyah molten persiapan réduksi oksida éléktrolitik logam unsur geus jadi fokus dina leuwih aktip,
Anyar-anyar ieu, metode énggal pikeun nyiapkeun bahan grafit ku éléktrolisis uyah molten parantos narik perhatian.
Ku cara polarisasi katodik sareng éléktrodéposisi, dua bentuk bahan baku karbon anu béda-béda dirobih janten bahan nano-grafit kalayan nilai tambihan anu luhur.Dibandingkeun sareng téknologi grafitisasi tradisional, metode grafitisasi énggal gaduh kaunggulan suhu grafitisasi anu langkung handap sareng morfologi anu tiasa dikontrol.
Tulisan ieu marios kamajuan grafitisasi ku metode éléktrokimia, ngenalkeun téknologi anyar ieu, nganalisa kaunggulan sareng kalemahanana, sareng prospek tren pangembangan ka hareupna.
Kahiji, metode polarisasi katoda éléktrolitik uyah molten
1.1 bahan baku
Ayeuna, bahan baku utama grafit jieunan nyaéta jarum coke jeung pitch coke gelar graphitization tinggi, nyaéta ku résidu minyak jeung tar batubara salaku bahan baku pikeun ngahasilkeun bahan karbon kualitas luhur, jeung porosity low, walirang low, lebu low. eusi sareng kaunggulan grafitisasi, saatos persiapanna janten grafit gaduh résistansi anu hadé pikeun dampak, kakuatan mékanis anu luhur, résistivitas rendah,
Sanajan kitu, cadangan minyak kawates sarta fluctuating harga minyak geus ngawatesan ngembangkeunana, jadi néangan bahan baku anyar geus jadi masalah urgent kudu direngsekeun.
Métode grafitisasi tradisional gaduh watesan, sareng metode grafitisasi anu béda ngagunakeun bahan baku anu béda.Pikeun karbon non-grafitized, métode tradisional boro bisa graphitize eta, bari rumus éléktrokimia éléktrolisis uyah molten ngarecah ngaliwatan watesan bahan baku, sarta cocog pikeun ampir kabéh bahan karbon tradisional.
Bahan karbon tradisional kalebet karbon hideung, karbon diaktipkeun, batubara, sareng sajabana, diantarana batubara anu paling ngajangjikeun.Tinta dumasar-batubara nyokot batubara salaku prékursor sarta disiapkeun kana produk grafit dina suhu luhur sanggeus pre-perlakuan.
Anyar, makalah ieu proposes métode éléktrokimia anyar, kayaning Peng, ku éléktrolisis uyah molten saperti teu mirip graphitized karbon hideung kana kristalinitas luhur grafit, éléktrolisis sampel grafit ngandung bentukna lakop grafit nanometer chip, boga aréa permukaan husus tinggi. lamun dipaké pikeun katoda batré litium némbongkeun kinerja éléktrokimia unggulan leuwih ti grafit alam.
Zhu et al.nempatkeun batubara kualitas rendah anu diolah parah kana sistem uyah cair CaCl2 pikeun éléktrolisis dina 950 ℃, sareng suksés ngarobih batubara kualitas rendah kana grafit kalayan kristalinitas anu luhur, anu nunjukkeun kinerja laju anu saé sareng umur siklus anu panjang nalika dianggo salaku anoda batré ion litium. .
Ékspérimén nunjukkeun yén kamungkinan pikeun ngarobih sababaraha jinis bahan karbon tradisional janten grafit ku cara éléktrolisis uyah molten, anu muka jalan énggal pikeun grafit sintétik ka hareup.
1.2 mékanisme tina
Métode éléktrolisis uyah molten ngagunakeun bahan karbon salaku katoda sarta ngarobahna kana grafit kalawan kristalinitas luhur ku cara polarisasi cathodic.Ayeuna, literatur anu aya nyarioskeun ngaleungitkeun oksigén sareng susunan ulang jarak jauh atom karbon dina prosés konvérsi poténsial polarisasi katodik.
Ayana oksigén dina bahan karbon bakal ngahalangan grafitisasi sabagian.Dina prosés grafitisasi tradisional, oksigén bakal dileungitkeun lalaunan nalika suhu langkung luhur ti 1600K.Sanajan kitu, éta pisan merenah pikeun deoxidize ngaliwatan polarisasi cathodic.
Peng, jsb dina percobaan pikeun kahiji kalina nempatkeun maju mékanisme poténsi polarisasi cathodic éléktrolisis uyah molten, nyaéta graphitization paling tempat pikeun ngamimitian nyaéta ayana dina microspheres karbon padet / panganteur éléktrolit, microspheres karbon munggaran ngabentuk sabudeureun diaméterna sarua dasar. cangkang grafit, lajeng pernah stabil atom karbon anhidrat karbon sumebar ka flake grafit luar leuwih stabil, nepi ka lengkep graphitized,
Prosés grafitisasi dibarengan ku ngaleungitkeun oksigén, anu ogé dikonfirmasi ku ékspérimén.
Jin et al.ogé ngabuktikeun sudut pandang ieu ngaliwatan percobaan.Saatos karbonisasi glukosa, grafitisasi (17% eusi oksigén) dilaksanakeun.Sanggeus grafitisasi, spheres karbon padet aslina (Gbr. 1a jeung 1c) ngawangun cangkang porous diwangun ku nanosheets grafit (Gbr. 1b jeung 1d).
Ku éléktrolisis serat karbon (16% oksigén), serat karbon tiasa dirobih janten tabung grafit saatos grafitisasi dumasar kana mékanisme konvérsi anu diduga dina literatur.
Dipercaya yén, gerakan jarak jauh sahandapeun polarisasi cathodic atom karbon grafit kristal tinggi ka karbon amorf nyusun ulang kudu ngolah, grafit sintétik petals unik bentukna nanostructures benefited ti atom oksigén ti, tapi husus kumaha pangaruh struktur nanométer grafit teu jelas. sapertos oksigén tina rangka karbon saatos kumaha dina réaksi katoda, jsb.
Ayeuna, panalungtikan ngeunaan mékanisme ieu masih dina tahap awal, sareng peryogi panalungtikan salajengna.
1.3 Karakterisasi morfologis grafit sintétik
SEM digunakeun pikeun niténan morfologi permukaan mikroskopis grafit, TEM digunakeun pikeun niténan morfologi struktural kurang ti 0,2 μm, XRD jeung spéktroskopi Raman mangrupa sarana anu paling umum dipaké pikeun ngacirian mikrostruktur grafit, XRD dipaké pikeun ngacirian kristal. informasi grafit, sarta spéktroskopi Raman dipaké pikeun characterize defects jeung darajat urutan grafit.
Aya loba pori dina grafit disiapkeun ku polarisasi katoda éléktrolisis uyah molten.Pikeun bahan baku anu béda, sapertos éléktrolisis karbon hideung, struktur nano porous sapertos kelopak dicandak.Analisis spéktrum XRD sareng Raman dilaksanakeun dina karbon hideung saatos éléktrolisis.
Dina 827 ℃, sanggeus dirawat kalayan tegangan 2.6V pikeun 1h, gambar spéktral Raman karbon hideung ampir sarua jeung grafit komérsial.Saatos karbon hideung dirawat kalayan suhu anu béda, puncak karakteristik grafit anu seukeut (002) diukur.Puncak difraksi (002) ngagambarkeun darajat orientasi lapisan karbon aromatik dina grafit.
Langkung seukeut lapisan karbon, langkung berorientasi.
Zhu ngagunakeun batubara inferior anu dimurnikeun salaku katoda dina percobaan, sareng mikrostruktur produk graphitized dirobih tina granular kana struktur grafit ageung, sareng lapisan grafit anu ketat ogé dititénan dina mikroskop éléktron transmisi laju tinggi.
Dina spéktra Raman, kalayan robahna kaayaan ékspérimén, nilai ID/Ig ogé robah.Nalika suhu éléktrolitik 950 ℃, waktos éléktrolitik nyaéta 6 jam, sareng tegangan éléktrolitik 2.6V, nilai ID / Ig panghandapna 0.3, sareng puncak D langkung handap tina puncak G.Dina waktos anu sami, penampilan puncak 2D ogé ngagambarkeun formasi struktur grafit anu maréntahkeun pisan.
Puncak difraksi seukeut (002) dina gambar XRD ogé negeskeun konvérsi suksés batubara inferior kana grafit kalayan kristalinitas anu luhur.
Dina prosés graphitization, kanaékan suhu jeung tegangan bakal maénkeun peran promosi, tapi tegangan teuing tinggi bakal ngurangan ngahasilkeun grafit, sarta hawa teuing tinggi atawa waktu graphitization panjang teuing bakal ngakibatkeun runtah sumberdaya, jadi pikeun bahan karbon béda. , Hal ieu kacida penting pikeun neuleuman kaayaan electrolytic paling luyu, oge fokus jeung kasusah.
Struktur nano flake sapertos kelopak ieu gaduh sipat éléktrokimia anu saé.Sajumlah badag pori ngamungkinkeun ion bisa gancang diselapkeun / deembedded, nyadiakeun bahan katoda kualitas luhur pikeun accu, jsb Ku alatan éta, métode éléktrokimia graphitization mangrupakeun metoda graphitization pisan poténsial.
Métode electrodeposition uyah molten
2.1 Éléktrodéposisi karbon dioksida
Salaku gas rumah kaca pangpentingna, CO2 ogé mangrupa non-toksik, bahya, mirah tur gampang sadia sumberdaya renewable.Sanajan kitu, karbon dina CO2 aya dina kaayaan oksidasi pangluhurna, jadi CO2 boga stabilitas termodinamika tinggi, nu ngajadikeun hésé dipaké deui.
Panaliti pangheubeulna ngeunaan éléktrodéposisi CO2 tiasa dilacak deui ka taun 1960-an.Ingram et al.hasil disiapkeun karbon dina éléktroda emas dina sistem uyah molten of Li2CO3-Na2CO3-K2CO3.
Van et al.nunjuk kaluar yén bubuk karbon diala dina poténsi réduksi béda miboga struktur béda, kaasup grafit, karbon amorf jeung nanofibers karbon.
Ku uyah molten candak CO2 jeung métode persiapan sukses bahan karbon, sanggeus periode lila sarjana panalungtikan geus fokus kana mékanisme formasi déposisi karbon jeung pangaruh kaayaan éléktrolisis dina produk ahir, nu ngawengku suhu electrolytic, tegangan electrolytic jeung komposisi uyah molten jeung éléktroda, jeung sajabana, persiapan kinerja tinggi bahan grafit pikeun electrodeposition of CO2 geus diteundeun hiji yayasan padet.
Ku cara ngarobah éléktrolit sarta ngagunakeun sistem uyah molten basis CaCl2 kalawan efisiensi newak CO2 luhur, Hu et al.junun nyiapkeun graphene kalawan gelar graphitization luhur jeung nanotube karbon jeung struktur nanographite séjén ku diajar kaayaan éléktrolitik kayaning suhu éléktrolisis, komposisi éléktroda jeung komposisi uyah molten.
Dibandingkeun jeung sistem karbonat, CaCl2 boga kaunggulan mirah tur gampang pikeun ménta, konduktivitas tinggi, gampang leyur dina cai, jeung kaleyuran luhur ion oksigén, nu nyadiakeun kaayaan téoritis pikeun konversi CO2 kana produk grafit kalawan nilai ditambahkeun tinggi.
2.2 Mékanisme Transformasi
Nyiapkeun bahan karbon nilai-ditambahkeun luhur ku electrodeposition of CO2 tina uyah molten utamana ngawengku CO2 newak jeung réduksi teu langsung.Panangkepan CO2 réngsé ku O2- bébas dina uyah lebur, sakumaha ditémbongkeun dina Persamaan (1):
CO2+O2-→CO3 2- (1)
Ayeuna, tilu mékanisme réaksi réduksi henteu langsung parantos diajukeun: réaksi hiji-léngkah, réaksi dua-léngkah sareng mékanisme réaksi réduksi logam.
Mékanisme réaksi hiji-léngkah munggaran diajukeun ku Ingram, sakumaha ditémbongkeun dina Persamaan (2):
CO3 2-+ 4E – →C+3O2- (2)
Mékanisme réaksi dua-léngkah diajukeun ku Borucka et al., ditémbongkeun saperti dina Persamaan (3-4):
CO3 2-+ 2E – →CO2 2-+O2- (3)
CO2 2-+ 2E – →C+2O2- (4)
Mékanisme réaksi réduksi logam diusulkeun ku Deanhardt et al.Aranjeunna percaya yén ion logam mimitina diréduksi jadi logam dina katoda, lajeng logam éta diréduksi jadi ion karbonat, sakumaha ditémbongkeun dina Persamaan (5~6):
M- + E – →M (5)
4 m + M2CO3 – > C + 3 m2o (6)
Ayeuna, mékanisme réaksi hiji-léngkah umumna ditarima dina literatur anu aya.
Yin et al.ngulik sistem karbonat Li-Na-K kalayan nikel salaku katoda, timah dioksida salaku anoda sareng kawat pérak salaku éléktroda rujukan, sareng kéngingkeun gambar uji voltammétri siklik dina Gambar 2 (laju scanning 100 mV/s) dina katoda nikel, sareng mendakan yén aya ngan hiji réduksi puncak (dina -2.0V) dina scanning négatip.
Ku alatan éta, bisa dicindekkeun yén ngan hiji réaksi lumangsung salila réduksi karbonat.
Gao et al.nampi voltammétri siklik anu sami dina sistem karbonat anu sami.
Geu et al.dipaké anoda inert jeung katoda tungsten pikeun newak CO2 dina sistem LiCl-Li2CO3 jeung diala gambar sarupa, sarta ngan hiji puncak réduksi déposisi karbon mucunghul dina scanning négatip.
Dina sistem uyah molten logam alkali, logam alkali jeung CO bakal dihasilkeun bari karbon disimpen ku katoda.Tapi, ku sabab kaayaan termodinamika réaksi déposisi karbon leuwih handap dina suhu nu leuwih handap, ngan réduksi karbonat jadi karbon nu bisa dideteksi dina percobaan.
2.3 CO2 newak ku uyah molten nyiapkeun produk grafit
Nanomaterials grafit nilai-ditambahkeun luhur kayaning graphene jeung nanotube karbon bisa disiapkeun ku electrodeposition of CO2 tina uyah lebur ku ngadalikeun kaayaan eksperimen.Hu et al.dipaké stainless steel salaku katoda dina CaCl2-NaCl-CaO Sistim uyah molten sarta electrolyzed pikeun 4h dina kaayaan 2.6V tegangan konstan dina suhu béda.
Hatur nuhun kana katalisis beusi sareng pangaruh ngabeledugna CO antara lapisan grafit, graphene kapanggih dina permukaan katoda.Prosés persiapan graphene ditémbongkeun dina Gbr. 3.
gambarna
studi engké ditambahkeun Li2SO4 dina dasar CaCl2-NaClCaO Sistim uyah molten, suhu éléktrolisis éta 625 ℃, sanggeus 4h éléktrolisis, dina waktos anu sareng dina déposisi cathodic karbon kapanggih graphene jeung karbon nanotubes, ulikan kapanggih yén Li + jeung SO4 2 - mawa pangaruh positif kana graphitization.
Walirang ogé hasil ngahijikeun kana awak karbon, sarta lambaran grafit ultra-ipis jeung karbon filamén bisa didapet ku ngadalikeun kaayaan electrolytic.
Bahan sapertos suhu éléktrolitik tinggi sareng rendah pikeun formasi graphene penting, nalika suhu langkung luhur ti 800 ℃ langkung gampang ngahasilkeun CO tinimbang karbon, ampir teu aya déposisi karbon nalika langkung luhur ti 950 ℃, ku kituna kontrol suhu penting pisan. pikeun ngahasilkeun graphene jeung karbon nanotube, sarta mulangkeun perlu karbon déposisi réaksi CO sinergi réaksi pikeun mastikeun yén katoda ngahasilkeun graphene stabil.
Karya ieu nyayogikeun metode énggal pikeun nyiapkeun produk nano-grafit ku CO2, anu penting pisan pikeun solusi gas rumah kaca sareng persiapan graphene.
3. Ringkesan jeung Outlook
Kalawan ngembangkeun gancang industri énergi anyar, grafit alam geus teu bisa minuhan paménta ayeuna, sarta grafit jieunan boga sipat fisik jeung kimia hadé ti grafit alam, jadi mirah, efisien sarta ramah lingkungan graphitization mangrupakeun tujuan jangka panjang.
Métode éléktrokimia grafitisasi dina bahan baku padet sareng gas kalayan metode polarisasi katodik sareng déposisi éléktrokimia parantos hasil kaluar tina bahan grafit kalayan nilai tambihan anu luhur, dibandingkeun sareng cara grafitisasi tradisional, metode éléktrokimia nyaéta efisiensi anu langkung luhur, konsumsi énergi anu handap, perlindungan lingkungan héjo, keur leutik kawates ku bahan selektif dina waktos anu sareng, nurutkeun kaayaan éléktrolisis béda bisa disiapkeun dina morfologi béda struktur grafit,
Éta nyayogikeun cara anu épéktip pikeun sagala jinis karbon amorf sareng gas rumah kaca dirobih janten bahan grafit terstruktur nano anu berharga sareng gaduh prospek aplikasi anu saé.
Kiwari, téhnologi ieu téh di infancy na.Aya sababaraha studi ngeunaan grafitisasi ku métode éléktrokimia, sarta masih aya loba prosés unknowable.Ku alatan éta, perlu mimitian ti bahan baku sarta ngalaksanakeun ulikan komprehensif sarta sistematis dina rupa karbon amorf, sarta dina waktos anu sareng ngajajah térmodinamik jeung dinamika konversi grafit dina tingkat deeper.
Ieu boga significance jauh-ngahontal pikeun ngembangkeun hareup industri grafit.
waktos pos: May-10-2021