Grafit dipérang dadi grafit buatan lan grafit alami, cadangan grafit alami sing wis kabukten ing donya udakara 2 milyar ton.
Grafit buatan dipikolehi kanthi dekomposisi lan perawatan panas bahan sing ngandhut karbon ing tekanan normal. Transformasi iki mbutuhake suhu lan energi sing cukup dhuwur minangka gaya pendorong, lan struktur sing ora teratur bakal diowahi dadi struktur kristal grafit sing teratur.
Grafitisasi ing pangertèn sing paling jembar yaiku bahan karbon liwat pangolahan panas suhu dhuwur ing ndhuwur 2000 ℃ kanthi penyusunan ulang atom karbon, nanging sawetara bahan karbon ing suhu dhuwur ing ndhuwur 3000 ℃ kanthi grafitisasi, bahan karbon jinis iki dikenal minangka "arang atos", kanggo bahan karbon sing gampang digrafitisasi, metode grafitisasi tradisional kalebu metode suhu dhuwur lan tekanan dhuwur, grafitisasi katalitik, metode deposisi uap kimia, lan liya-liyane.
Grafitisasi minangka cara sing efektif kanggo nggunakake bahan karbon kanthi nilai tambah sing dhuwur. Sawise riset ekstensif lan jero dening para sarjana, saiki wis mateng. Nanging, ana sawetara faktor sing ora becik sing mbatesi aplikasi grafitisasi tradisional ing industri, mula dadi tren sing ora bisa dihindari kanggo njelajah metode grafitisasi anyar.
Metode elektrolisis uyah cair wiwit abad kaping 19 wis luwih saka seabad pembangunan, teori dhasar lan metode anyar terus-terusan inovasi lan pangembangan, saiki ora diwatesi maneh ing industri metalurgi tradisional, ing awal abad kaping 21, logam ing sistem uyah cair, persiapan reduksi elektrolitik oksida padat, saka logam unsur, wis dadi fokus ing industri sing luwih aktif.
Bubar iki, cara anyar kanggo nyiyapake bahan grafit kanthi elektrolisis uyah cair wis narik kawigaten akeh wong.
Liwat polarisasi katodik lan elektrodeposisi, rong wujud bahan mentah karbon sing béda-béda diowahi dadi bahan nano-grafit kanthi nilai tambah sing dhuwur. Dibandhingake karo teknologi grafitisasi tradisional, metode grafitisasi anyar iki nduwèni kaluwihan suhu grafitisasi sing luwih murah lan morfologi sing bisa dikontrol.
Makalah iki ngrembug babagan kemajuan grafitisasi kanthi metode elektrokimia, ngenalake teknologi anyar iki, nganalisis kaluwihan lan kekurangane, lan prospek tren pangembangane ing mangsa ngarep.
Kapisan, metode polarisasi katoda elektrolitik uyah cair
1.1 bahan baku
Saiki, bahan baku utama grafit buatan yaiku kokas jarum lan kokas pitch kanthi tingkat grafitisasi sing dhuwur, yaiku kanthi residu minyak lan tar batu bara minangka bahan mentah kanggo ngasilake bahan karbon berkualitas tinggi, kanthi porositas rendah, belerang rendah, kandungan awu rendah lan kaluwihan grafitisasi, sawise persiapan dadi grafit duwe resistensi sing apik kanggo impact, kekuatan mekanik dhuwur, resistivitas rendah,
Nanging, cadangan lenga sing winates lan rega lenga sing fluktuatif wis mbatesi pangembangane, mula nggoleki bahan mentah anyar wis dadi masalah sing penting banget kanggo dirampungake.
Cara grafitisasi tradisional nduweni watesan, lan cara grafitisasi sing beda-beda nggunakake bahan mentah sing beda-beda. Kanggo karbon sing ora digrafitisasi, cara tradisional meh ora bisa nggrafitisasi, dene rumus elektrokimia elektrolisis uyah cair ngatasi watesan bahan mentah, lan cocok kanggo meh kabeh bahan karbon tradisional.
Bahan karbon tradisional kalebu karbon ireng, karbon aktif, batu bara, lan liya-liyane, ing antarane batu bara minangka sing paling menjanjikan. Tinta berbasis batu bara nggunakake batu bara minangka prekursor lan disiapake dadi produk grafit ing suhu dhuwur sawise pra-perawatan.
Bubar iki, makalah iki ngusulake metode elektrokimia anyar, kayata Peng, kanthi elektrolisis uyah cair ora mungkin nggrafit karbon ireng dadi kristalinitas grafit sing dhuwur, elektrolisis sampel grafit sing ngemot chip nanometer grafit bentuk kelopak, duwe area permukaan spesifik sing dhuwur, nalika digunakake kanggo katoda baterei litium nuduhake kinerja elektrokimia sing apik banget luwih saka grafit alami.
Zhu et al. nglebokaké batu bara kualitas rendah sing wis diolah deashing menyang sistem uyah cair CaCl2 kanggo elektrolisis ing suhu 950 ℃, lan kasil ngowahi batu bara kualitas rendah dadi grafit kanthi kristalinitas dhuwur, sing nuduhake kinerja laju sing apik lan umur siklus sing dawa nalika digunakake minangka anoda baterei ion litium.
Eksperimen iki nuduhake yen bisa ngowahi macem-macem jinis bahan karbon tradisional dadi grafit kanthi cara elektrolisis uyah cair, sing mbukak cara anyar kanggo grafit sintetis ing mangsa ngarep.
1.2 mekanisme saka
Metode elektrolisis uyah cair nggunakake bahan karbon minangka katoda lan ngowahi dadi grafit kanthi kristalinitas dhuwur kanthi cara polarisasi katodik. Saiki, literatur sing ana nyebutake babagan mbusak oksigen lan penyusunan ulang atom karbon jarak jauh ing proses konversi potensial polarisasi katodik.
Anane oksigen ing bahan karbon bakal ngalangi grafitisasi nganti sawetara tingkat. Ing proses grafitisasi tradisional, oksigen bakal dicopot alon-alon nalika suhu luwih dhuwur tinimbang 1600K. Nanging, deoksidasi liwat polarisasi katodik luwih trep banget.
Peng, lsp., ing eksperimen kasebut, kanggo pisanan ngajokake mekanisme potensial polarisasi katodik elektrolisis uyah cair, yaiku grafitisasi sing paling wiwitan yaiku dumunung ing antarmuka mikrosfer karbon padat/elektrolit, mikrosfer karbon pisanan kawangun ing sekitar cangkang grafit kanthi diameter dhasar sing padha, banjur atom karbon anhidrat sing ora stabil nyebar menyang serpihan grafit njaba sing luwih stabil, nganti tekan grafit rampung.
Proses grafitisasi dibarengi karo pambusakan oksigen, sing uga dikonfirmasi dening eksperimen.
Jin et al. uga mbuktekake sudut pandang iki liwat eksperimen. Sawise karbonisasi glukosa, grafitisasi (kandungan oksigen 17%) ditindakake. Sawise grafitisasi, bola karbon padat asli (Gambar 1a lan 1c) mbentuk cangkang keropos sing kasusun saka nanosheet grafit (Gambar 1b lan 1d).
Kanthi elektrolisis serat karbon (16% oksigen), serat karbon bisa diowahi dadi tabung grafit sawise grafitisasi miturut mekanisme konversi sing dispekulasikake ing literatur.
Dipercaya manawa gerakan jarak adoh ana ing polarisasi katodik atom karbon, grafit kristal dhuwur kudu diproses kanggo ngatur ulang karbon amorf, grafit sintetik sing unik nduweni bentuk kelopak nano sing entuk manfaat saka atom oksigen, nanging cara spesifik kanggo mengaruhi struktur nanometer grafit durung jelas, kayata oksigen saka kerangka karbon sawise reaksi katoda, lan liya-liyane.
Saiki, riset babagan mekanisme kasebut isih ana ing tahap awal, lan riset luwih lanjut dibutuhake.
1.3 Karakterisasi morfologis grafit sintetis
SEM digunakake kanggo mirsani morfologi permukaan mikroskopis grafit, TEM digunakake kanggo mirsani morfologi struktural kurang saka 0,2 μm, XRD lan spektroskopi Raman minangka cara sing paling umum digunakake kanggo nggambarake mikrostruktur grafit, XRD digunakake kanggo nggambarake informasi kristal grafit, lan spektroskopi Raman digunakake kanggo nggambarake cacat lan derajat urutan grafit.
Ana akeh pori-pori ing grafit sing disiapake kanthi polarisasi katoda saka elektrolisis uyah cair. Kanggo macem-macem bahan mentah, kayata elektrolisis karbon ireng, nanostruktur berpori kaya kelopak dipikolehi. Analisis spektrum XRD lan Raman ditindakake ing karbon ireng sawise elektrolisis.
Ing suhu 827 ℃, sawisé diolah nganggo voltase 2.6V suwéné 1 jam, gambar spektral Raman karbon ireng meh padha karo grafit komersial. Sawisé karbon ireng diolah nganggo suhu sing béda-béda, puncak karakteristik grafit sing tajem (002) diukur. Puncak difraksi (002) makili derajat orientasi lapisan karbon aromatik ing grafit.
Saya landhep lapisan karbon, saya orientasine.
Zhu migunakaké batu bara inferior sing wis dimurnèkaké minangka katoda ing eksperimen kasebut, lan mikrostruktur produk grafit diowahi saka struktur grafit granular dadi gedhe, lan lapisan grafit sing rapet uga diamati ing mikroskop elektron transmisi kecepatan dhuwur.
Ing spektrum Raman, kanthi owah-owahan kahanan eksperimen, nilai ID/Ig uga owah. Nalika suhu elektrolitik 950 ℃, wektu elektrolitik 6 jam, lan voltase elektrolitik 2.6V, nilai ID/Ig paling endhek yaiku 0.3, lan puncak D luwih endhek tinimbang puncak G. Ing wektu sing padha, munculé puncak 2D uga makili pambentukan struktur grafit sing teratur banget.
Puncak difraksi (002) sing tajem ing gambar XRD uga ngonfirmasi sukses konversi batu bara inferior dadi grafit kanthi kristalinitas dhuwur.
Ing proses grafitisasi, kenaikan suhu lan voltase bakal nduweni peran penting, nanging voltase sing dhuwur banget bakal nyuda asil grafit, lan suhu sing dhuwur banget utawa wektu grafitisasi sing dawa banget bakal nyebabake pemborosan sumber daya, mula kanggo bahan karbon sing beda-beda, penting banget kanggo njelajah kahanan elektrolitik sing paling cocog, uga fokus lan kesulitane.
Nanostruktur serpihan kaya kelopak iki nduweni sipat elektrokimia sing apik banget. Pori-pori sing akeh ngidini ion bisa dilebokake/di-deembed kanthi cepet, nyedhiyakake bahan katoda berkualitas tinggi kanggo baterei, lan liya-liyane. Mulane, metode grafitisasi elektrokimia minangka metode grafitisasi sing potensial banget.
Metode elektrodeposisi uyah cair
2.1 Elektrodeposisi karbon dioksida
Minangka gas omah kaca sing paling penting, CO2 uga minangka sumber daya sing ora beracun, ora mbebayani, murah, lan gampang dipikolehi. Nanging, karbon ing CO2 ana ing tingkat oksidasi paling dhuwur, mula CO2 nduweni stabilitas termodinamika sing dhuwur, sing ndadekake angel digunakake maneh.
Riset paling awal babagan elektrodeposisi CO2 bisa ditelusuri maneh ing taun 1960-an. Ingram et al. kasil nyiapake karbon ing elektroda emas ing sistem uyah cair Li2CO3-Na2CO3-K2CO3.
Van et al. nedahake manawa bubuk karbon sing dipikolehi kanthi potensial reduksi sing beda-beda nduweni struktur sing beda-beda, kalebu grafit, karbon amorf, lan serat nano karbon.
Kanthi uyah cair kanggo nangkep CO2 lan cara persiapan materi karbon sing sukses, sawise wektu sing suwe para sarjana riset wis fokus ing mekanisme pembentukan deposisi karbon lan efek kahanan elektrolisis ing produk pungkasan, sing kalebu suhu elektrolitik, voltase elektrolitik lan komposisi uyah cair lan elektroda, lan liya-liyane, persiapan bahan grafit kinerja dhuwur kanggo elektrodeposisi CO2 wis nggawe pondasi sing kuwat.
Kanthi ngganti elektrolit lan nggunakake sistem uyah cair adhedhasar CaCl2 kanthi efisiensi panangkepan CO2 sing luwih dhuwur, Hu et al. kasil nyiyapake graphene kanthi derajat grafitisasi sing luwih dhuwur lan tabung nano karbon lan struktur nanografit liyane kanthi nyinaoni kahanan elektrolitik kayata suhu elektrolisis, komposisi elektroda, lan komposisi uyah cair.
Dibandhingake karo sistem karbonat, CaCl2 nduweni kaluwihan yaiku murah lan gampang dipikolehi, konduktivitas dhuwur, gampang larut ing banyu, lan kelarutan ion oksigen sing luwih dhuwur, sing nyedhiyakake kahanan teoretis kanggo konversi CO2 dadi produk grafit kanthi nilai tambah sing dhuwur.
2.2 Mekanisme Transformasi
Persiapan bahan karbon bernilai tambah tinggi kanthi elektrodeposisi CO2 saka uyah cair utamane kalebu penangkapan CO2 lan reduksi ora langsung. Penangkapan CO2 dirampungake dening O2- bebas ing uyah cair, kaya sing dituduhake ing Persamaan (1):
CO2+O2-→CO3 2- (1)
Saiki, ana telung mekanisme reaksi reduksi ora langsung sing wis diusulake: reaksi siji langkah, reaksi rong langkah, lan mekanisme reaksi reduksi logam.
Mekanisme reaksi siji langkah pisanan diusulake dening Ingram, kaya sing dituduhake ing Persamaan (2):
CO3 2-+ 4E – →C+3O2- (2)
Mekanisme reaksi rong langkah diusulake dening Borucka et al., kaya sing dituduhake ing Persamaan (3-4):
CO3 2-+ 2E – →CO2 2-+O2- (3)
CO2 2-+ 2E – →C+2O2- (4)
Mekanisme reaksi reduksi logam diusulake dening Deanhardt et al. Dheweke percaya yen ion logam pisanan direduksi dadi logam ing katoda, banjur logam kasebut direduksi dadi ion karbonat, kaya sing dituduhake ing Persamaan (5~6):
M- + E – →M (5)
4 m + M2CO3 – > C + 3 m2o (6)
Saiki, mekanisme reaksi siji langkah umume ditampa ing literatur sing ana.
Yin et al. nyinaoni sistem karbonat Li-Na-K nganggo nikel minangka katoda, timah dioksida minangka anoda lan kawat perak minangka elektroda referensi, lan entuk angka uji voltametri siklik ing Gambar 2 (laju pemindaian 100 mV/s) ing katoda nikel, lan nemokake yen mung ana siji puncak reduksi (ing -2.0V) ing pemindaian negatif.
Mulane, bisa disimpulake yen mung siji reaksi sing kedadeyan sajrone reduksi karbonat.
Gao et al. entuk voltametri siklik sing padha ing sistem karbonat sing padha.
Ge et al. migunakaké anoda inert lan katoda tungsten kanggo nangkep CO2 ing sistem LiCl-Li2CO3 lan éntuk gambar sing mèmper, lan mung puncak reduksi deposisi karbon sing katon ing pemindaian negatif.
Ing sistem uyah leleh logam alkali, logam alkali lan CO bakal diasilake nalika karbon diendapke dening katoda. Nanging, amarga kondisi termodinamika reaksi pengendapan karbon luwih murah ing suhu sing luwih murah, mung reduksi karbonat dadi karbon sing bisa dideteksi ing eksperimen kasebut.
2.3 Panangkapan CO2 dening uyah cair kanggo nyiyapake produk grafit
Nanomaterial grafit kanthi nilai tambah dhuwur kayata graphene lan nanotube karbon bisa digawe kanthi elektrodeposisi CO2 saka uyah cair kanthi ngontrol kahanan eksperimen. Hu et al. nggunakake baja tahan karat minangka katoda ing sistem uyah cair CaCl2-NaCl-CaO lan dielektrolisis sajrone 4 jam ing kondisi voltase konstan 2.6V ing suhu sing beda-beda.
Amarga katalisis wesi lan efek eksplosif CO antarane lapisan grafit, graphene ditemokake ing permukaan katoda. Proses persiapan graphene dituduhake ing Gambar 3.
Gambar kasebut
Panliten sabanjure nambahake Li2SO4 adhedhasar sistem uyah cair CaCl2-NaClCaO, suhu elektrolisis yaiku 625 ℃, sawise 4 jam elektrolisis, ing wektu sing padha ing deposisi katodik karbon ditemokake graphene lan nanotube karbon, panliten kasebut nemokake yen Li+ lan SO4 2- nggawa efek positif ing grafitisasi.
Belerang uga kasil diintegrasikake menyang awak karbon, lan lembaran grafit ultra-tipis lan karbon filamen bisa dipikolehi kanthi ngontrol kahanan elektrolitik.
Materi kaya ta suhu elektrolitik dhuwur lan endhek kanggo mbentuk graphene iku penting banget, nalika suhu luwih dhuwur tinimbang 800 ℃ luwih gampang ngasilake CO tinimbang karbon, meh ora ana deposisi karbon nalika luwih dhuwur tinimbang 950 ℃, mula kontrol suhu penting banget kanggo ngasilake graphene lan nanotube karbon, lan mulihake reaksi deposisi karbon sing dibutuhake sinergi reaksi CO kanggo mesthekake yen katoda ngasilake graphene sing stabil.
Karya-karya iki nyedhiyakake metode anyar kanggo nyiapake produk nano-grafit nganggo CO2, sing nduweni makna gedhe kanggo solusi gas omah kaca lan persiapan graphene.
3. Ringkesan lan Pandangan
Kanthi perkembangan industri energi anyar sing cepet, grafit alami durung bisa nyukupi panjaluk saiki, lan grafit buatan nduweni sifat fisik lan kimia sing luwih apik tinimbang grafit alami, mula grafitisasi sing murah, efisien, lan ramah lingkungan minangka tujuan jangka panjang.
Metode elektrokimia grafitisasi ing bahan mentah padat lan gas kanthi metode polarisasi katodik lan deposisi elektrokimia kasil metu saka bahan grafit kanthi nilai tambah sing dhuwur, dibandhingake karo cara grafitisasi tradisional, metode elektrokimia nduweni efisiensi sing luwih dhuwur, konsumsi energi sing luwih murah, perlindungan lingkungan sing ramah lingkungan, kanggo bahan selektif sing winates ing wektu sing padha, miturut kahanan elektrolisis sing beda-beda bisa disiapake ing morfologi struktur grafit sing beda-beda,
Iki nyedhiyakake cara sing efektif kanggo kabeh jinis karbon amorf lan gas omah kaca supaya bisa diowahi dadi bahan grafit nano-terstruktur sing terkenal lan nduweni prospek aplikasi sing apik.
Saiki, teknologi iki isih ana ing tahap awal. Ana sawetara panliten babagan grafitisasi kanthi metode elektrokimia, lan isih akeh proses sing durung dingerteni. Mulane, perlu diwiwiti saka bahan mentah lan nindakake panliten sing komprehensif lan sistematis babagan macem-macem karbon amorf, lan ing wektu sing padha njelajah termodinamika lan dinamika konversi grafit kanthi luwih jero.
Iki nduweni makna sing jembar kanggo pangembangan industri grafit ing mangsa ngarep.
Wektu kiriman: 10-Mei-2021