Grafit dipérang dadi grafit buatan lan grafit alam, cadangan grafit alam sing wis kabukten ing donya watara 2 milyar ton.
Grafit buatan dipikolehi kanthi dekomposisi lan perawatan panas bahan sing ngemot karbon ing tekanan normal.Transformasi iki mbutuhake suhu lan energi sing cukup dhuwur minangka tenaga penggerak, lan struktur sing ora teratur bakal diowahi dadi struktur kristal grafit.
Graphitization ing pangertèn sing paling jembar saka materi carbonaceous liwat ndhuwur 2000 ℃ perawatan panas suhu dhuwur rearrangement atom karbon, Nanging sawetara bahan karbon ing suhu dhuwur ndhuwur 3000 ℃ graphitization, iki jenis bahan karbon dikenal minangka "areng hard", kanggo bahan karbon gampang graphitized, cara graphitization tradisional kalebu suhu dhuwur lan cara meksa dhuwur, graphitization katalitik, cara deposisi uap kimia, etc.
Grafitisasi minangka cara efektif kanggo nggunakake nilai tambah dhuwur saka bahan karbon.Sawise riset ekstensif lan ing-ambane dening sarjana, iku Sejatine diwasa saiki.Nanging, sawetara faktor sing ora nguntungake mbatesi aplikasi grafitisasi tradisional ing industri, mula dadi tren sing ora bisa ditindakake kanggo njelajah metode grafitisasi anyar.
Cara elektrolisis uyah molten wiwit abad kaping 19 ana luwih saka abad pembangunan, teori dhasar lan cara anyar sing terus-terusan inovasi lan pembangunan, saiki wis ora winates kanggo industri metallurgical tradisional, ing awal abad kaping 21, logam ing sistem uyah molten preparation reduksi elektrolitik oksida padhet saka logam unsur wis dadi fokus ing luwih aktif,
Bubar, cara anyar kanggo nyiapake bahan grafit kanthi elektrolisis uyah molten wis narik kawigaten.
Kanthi polarisasi katodik lan elektrodeposisi, rong jinis bahan mentah karbon diowahi dadi bahan nano-grafit kanthi nilai tambah dhuwur.Dibandhingake karo teknologi grafitisasi tradisional, metode grafitisasi anyar nduweni kaluwihan suhu grafitisasi sing luwih murah lan morfologi sing bisa dikontrol.
Makalah iki nyinaoni kemajuan grafitisasi kanthi metode elektrokimia, ngenalake teknologi anyar iki, nganalisa kaluwihan lan kekurangane, lan prospek tren pangembangane ing mangsa ngarep.
Pertama, metode polarisasi katoda elektrolitik garam cair
1.1 bahan baku
Ing saiki, bahan baku utama grafit Ponggawa iku jarum coke lan Jarak coke saka gelar graphitization dhuwur, yaiku dening ampas lenga lan tar coal minangka bahan mentahan kanggo gawé bahan karbon kualitas, karo porosity kurang, belerang kurang, awu kurang. isi lan kaluwihan saka graphitization, sawise preparation menyang grafit wis resistance apik kanggo impact, kekuatan mechanical dhuwur, resistivity kurang,
Nanging, cadangan minyak sing winates lan rega minyak sing fluktuatif wis mbatesi pangembangane, mula golek bahan mentah anyar dadi masalah sing kudu dirampungake.
Cara grafitisasi tradisional duwe watesan, lan metode grafitisasi sing beda nggunakake bahan mentah sing beda.Kanggo karbon non-grafitized, cara tradisional meh ora bisa graphitize iku, nalika rumus elektrokimia saka molten elektrolisis uyah break liwat watesan saka bahan mentahan, lan cocok kanggo meh kabeh bahan karbon tradisional.
Bahan karbon tradisional kalebu karbon ireng, karbon aktif, batu bara, lan liya-liyane, ing antarane yaiku batu bara sing paling njanjeni.Tinta adhedhasar batu bara njupuk batu bara minangka prekursor lan disiapake dadi produk grafit ing suhu dhuwur sawise pra-perawatan.
Bubar, kertas iki ngusulake cara elektrokimia anyar, kayata Peng, dening molten elektrolisis uyah dipercaya kanggo graphitized karbon ireng menyang crystallinity dhuwur saka grafit, ing elektrolisis saka conto grafit ngemot Kripik nanometer grafit wangun petal, wis area lumahing tartamtu dhuwur. nalika digunakake kanggo katoda baterei lithium nuduhake kinerja elektrokimia sing luwih apik tinimbang grafit alam.
Zhu et al.sijine batu bara kualitas rendah sing diolah mati menyang sistem uyah cair CaCl2 kanggo elektrolisis ing 950 ℃, lan kasil ngowahi batu bara kualitas rendah dadi grafit kanthi kristalinitas sing dhuwur, sing nuduhake kinerja tingkat sing apik lan umur siklus dawa nalika digunakake minangka anoda baterei lithium ion. .
Eksperimen kasebut nuduhake manawa bisa ngowahi macem-macem bahan karbon tradisional dadi grafit kanthi elektrolisis uyah molten, sing mbukak cara anyar kanggo grafit sintetik ing mangsa ngarep.
1.2 mekanisme saka
Cara elektrolisis uyah molten nggunakake bahan karbon minangka katoda lan ngowahi dadi grafit kanthi kristalinitas dhuwur kanthi cara polarisasi katodik.Saiki, literatur sing ana nyebataken mbusak oksigen lan rearrangement jarak adoh saka atom karbon ing proses konversi potensial polarisasi katodik.
Anane oksigen ing bahan karbon bakal ngalang-alangi grafitisasi nganti sawetara.Ing proses grafitisasi tradisional, oksigen bakal dibusak alon-alon nalika suhu luwih dhuwur tinimbang 1600K.Nanging, iku arang banget trep kanggo deoxidize liwat polarisasi cathodic.
Peng, etc ing nyobi kanggo pisanan sijine nerusake molten uyah elektrolisis cathodic polarisasi mekanisme potensial, yaiku graphitization paling Panggonan kanggo miwiti bakal dumunung ing ngalangi microspheres karbon / antarmuka elektrolit, wangun microsphere karbon pisanan watara diameteripun padha dhasar. cangkang grafit, lan banjur ora tau stabil atom karbon karbon anhidrat nyebar menyang serpihan grafit njaba sing luwih stabil, nganti rampung grafit,
Proses grafitisasi diiringi mbusak oksigen, sing uga dikonfirmasi dening eksperimen.
Jin et al.uga mbuktekaken sudut pandang iki liwat eksperimen.Sawise karbonisasi glukosa, grafitisasi (isi oksigen 17%) ditindakake.Sawise grafitisasi, bal karbon padhet asli (Gambar 1a lan 1c) mbentuk cangkang keropos sing kasusun saka lembaran nano grafit (Gambar 1b lan 1d).
Kanthi elektrolisis serat karbon (16% oksigen), serat karbon bisa diowahi dadi tabung grafit sawise grafitisasi miturut mekanisme konversi sing diduga ing literatur.
Dipercaya manawa, gerakan jarak dawa ana ing polarisasi katodik saka atom karbon, grafit kristal dhuwur kanggo karbon amorf kudu diproses maneh, grafit sintetik petal unik mbentuk struktur nano sing entuk manfaat saka atom oksigen saka, nanging cara spesifik kanggo pengaruh struktur nanometer grafit ora jelas. kayata oksigen saka kerangka karbon sawise reaksi katoda, lsp.
Saiki, riset babagan mekanisme kasebut isih ana ing tahap wiwitan, lan riset luwih lanjut dibutuhake.
1.3 Karakterisasi morfologi grafit sintetik
SEM digunakake kanggo ngamati morfologi permukaan mikroskopis grafit, TEM digunakake kanggo ngamati morfologi struktur kurang saka 0,2 μm, XRD lan spektroskopi Raman minangka sarana sing paling umum digunakake kanggo ciri struktur mikro grafit, XRD digunakake kanggo ciri kristal. informasi grafit, lan spektroskopi Raman digunakake kanggo ciri cacat lan urutan grafit.
Ana akeh pori ing grafit sing disiapake dening polarisasi katoda saka elektrolisis uyah molten.Kanggo bahan mentah sing beda-beda, kayata elektrolisis karbon ireng, struktur nano keropos kaya petal dipikolehi.Analisis spektrum XRD lan Raman ditindakake ing karbon ireng sawise elektrolisis.
Ing 827 ℃, sawise diolah nganggo voltase 2.6V sajrone 1 jam, gambar spektral Raman saka karbon ireng meh padha karo grafit komersial.Sawise karbon ireng diolah kanthi suhu sing beda, puncak karakteristik grafit sing cetha (002) diukur.Puncak difraksi (002) nggambarake tingkat orientasi lapisan karbon aromatik ing grafit.
Sing luwih cetha lapisan karbon, luwih orientasine.
Zhu nggunakake batu bara inferior sing diresiki minangka katoda ing eksperimen kasebut, lan struktur mikro saka produk grafitisasi diowahi saka granular dadi struktur grafit gedhe, lan lapisan grafit sing nyenyet uga diamati ing mikroskop elektron transmisi tingkat dhuwur.
Ing spektrum Raman, kanthi owah-owahan kondisi eksperimen, nilai ID/Ig uga owah.Nalika suhu elektrolitik 950 ℃, wektu elektrolitik yaiku 6h, lan voltase elektrolitik yaiku 2.6V, nilai ID / Ig paling murah yaiku 0.3, lan puncak D luwih murah tinimbang puncak G.Ing wektu sing padha, munculé puncak 2D uga makili tatanan struktur grafit Highly dhawuh.
Puncak difraksi sing cetha (002) ing gambar XRD uga nandheske sukses konversi batubara inferior dadi grafit kanthi kristalinitas dhuwur.
Ing proses graphitization, Tambah saka suhu lan voltase bakal muter peran mromosiaken, nanging dhuwur banget voltase bakal nyuda ngasilaken saka grafit, lan suhu dhuwur banget utawa wektu graphitization dawa banget bakal mimpin kanggo sampah sumber daya, supaya kanggo bahan karbon beda. , iku utamané penting kanggo njelajah kahanan electrolytic paling cocok, uga fokus lan kangelan.
Struktur nano flake kaya petal iki nduweni sifat elektrokimia sing apik banget.A nomer akeh pori ngidini ion kanggo cepet dilebokake / deembedded, nyediakake bahan cathode kualitas dhuwur kanggo baterei, etc. Mulane, graphitization cara elektrokimia minangka cara graphitization banget potensial.
Metode elektrodeposisi garam molten
2.1 Electrodeposition saka karbon dioksida
Minangka gas omah kaca sing paling penting, CO2 uga minangka sumber daya terbarukan sing ora beracun, ora mbebayani, murah lan gampang kasedhiya.Nanging, karbon ing CO2 ana ing negara oksidasi paling dhuwur, mula CO2 nduweni stabilitas termodinamika sing dhuwur, sing ndadekake angel digunakake maneh.
Riset paling awal babagan elektrodeposisi CO2 bisa dilacak ing taun 1960-an.Ingram et al.kasil nyiapake karbon ing elektroda emas ing sistem uyah molten saka Li2CO3-Na2CO3-K2CO3.
Van et al.nuding metu sing wêdakakêna karbon dijupuk ing potensial abang beda duwe struktur beda, kalebu grafit, karbon amorf lan nanofibers karbon.
Miturut uyah molten kanggo dijupuk CO2 lan cara preparation saka sukses materi karbon, sawise wektu dawa saka sarjana riset wis fokus ing karbon deposisi mekanisme tatanan lan efek saka kahanan elektrolisis ing produk final, kang kalebu suhu elektrolitik, voltase elektrolitik lan komposisi saka uyah molten lan elektrods, etc., preparation saka kinerja dhuwur saka bahan grafit kanggo electrodeposition saka CO2 wis glethakaken dhasar ngalangi.
Kanthi ngganti elektrolit lan nggunakake sistem uyah molten adhedhasar CaCl2 kanthi efisiensi panangkepan CO2 sing luwih dhuwur, Hu et al.kasil nyiapake graphene kanthi gelar grafitisasi sing luwih dhuwur lan nanotube karbon lan struktur nanografit liyane kanthi nyinaoni kondisi elektrolitik kayata suhu elektrolisis, komposisi elektroda lan komposisi uyah cair.
Dibandhingake karo sistem karbonat, CaCl2 nduweni kaluwihan murah lan gampang dipikolehi, konduktivitas dhuwur, gampang larut ing banyu, lan kelarutan ion oksigen sing luwih dhuwur, sing nyedhiyakake kondisi teoritis kanggo konversi CO2 dadi produk grafit kanthi nilai tambah dhuwur.
2.2 Mekanisme Transformasi
Nyiapake bahan karbon kanthi nilai tambah kanthi elektrodeposisi CO2 saka uyah molten utamane kalebu panangkepan CO2 lan pengurangan ora langsung.Penangkapan CO2 rampung kanthi bebas O2- ing uyah cair, kaya sing dituduhake ing Persamaan (1):
CO2+O2-→CO3 2- (1)
Saiki, telung mekanisme reaksi reduksi ora langsung 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 dikurangi dadi logam ing katoda, banjur logam kasebut dikurangi 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 kanthi nikel minangka katoda, timah dioksida minangka anoda lan kawat perak minangka elektroda referensi, lan entuk angka uji voltametri siklik ing Gambar 2 (tingkat pemindaian 100 mV/s) ing katoda nikel, lan ditemokake sing ana mung siji puncak abang (ing -2.0V) ing mindhai negatif.
Mulane, bisa disimpulake yen mung siji reaksi sing kedadeyan sajrone reduksi karbonat.
Gao et al.entuk voltammetri siklik sing padha ing sistem karbonat sing padha.
Ge et al.nggunakake anoda inert lan katoda tungsten kanggo nangkep CO2 ing sistem LiCl-Li2CO3 lan entuk gambar sing padha, lan mung ana puncak pengurangan karbon sing katon ing pemindaian negatif.
Ing sistem uyah molten logam alkalin, logam alkali lan CO bakal diasilake nalika karbon disimpen ing katoda.Nanging, amarga kondisi termodinamika reaksi deposisi karbon luwih murah ing suhu sing luwih murah, mung pengurangan karbonat dadi karbon sing bisa dideteksi ing eksperimen kasebut.
2.3 CO2 dijupuk dening uyah molten kanggo nyiapake produk grafit
Nanomaterials grafit kanthi nilai tambah dhuwur kayata graphene lan karbon nanotube bisa disiapake kanthi elektrodeposisi CO2 saka uyah cair kanthi ngontrol kahanan eksperimen.Hu et al.digunakake stainless steel minangka katoda ing CaCl2-NaCl-CaO sistem uyah molten lan electrolyzed kanggo 4h ing kondisi voltase pancet 2.6V ing suhu beda.
Thanks kanggo katalisis wesi lan efek bledosan CO ing antarane lapisan grafit, graphene ditemokake ing permukaan katoda.Proses nyiapake graphene ditampilake ing Fig. 3.
Gambar
Mengko pasinaon ditambahaké Li2SO4 ing basis saka CaCl2-NaClCaO sistem uyah molten, suhu elektrolisis ana 625 ℃, sawise 4h saka elektrolisis, ing wektu sing padha ing deposition cathodic karbon ketemu graphene lan karbon nanotubes, sinau ketemu sing Li + lan SO4 2 - kanggo nggawa efek positif ing graphitization.
Sulfur uga kasil digabungake menyang awak karbon, lan lembaran grafit ultra-tipis lan karbon filamen bisa dipikolehi kanthi ngontrol kahanan elektrolitik.
Material kayata suhu elektrolitik saka dhuwur lan kurang kanggo tatanan graphene kritis, nalika suhu luwih saka 800 ℃ luwih gampang kanggo generate CO tinimbang karbon, meh ora deposition karbon nalika luwih saka 950 ℃, supaya kontrol suhu iku arang banget penting. kanggo gawé graphene lan karbon nanotubes, lan mulihake perlu reaksi karbon deposisi reaksi CO sinergi reaksi kanggo mesthekake yen katoda kanggo generate graphene stabil.
Karya kasebut nyedhiyakake cara anyar kanggo nyiapake produk nano-grafit kanthi CO2, sing penting banget kanggo solusi gas omah kaca lan nyiapake graphene.
3. Ringkesan lan Outlook
Kanthi pangembangan industri energi anyar kanthi cepet, grafit alam ora bisa nyukupi kebutuhan saiki, lan grafit buatan nduweni sifat fisik lan kimia sing luwih apik tinimbang grafit alam, saengga grafitisasi sing murah, efisien lan ramah lingkungan minangka tujuan jangka panjang.
Cara elektrokimia grafitisasi ing bahan mentahan 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, pangayoman lingkungan ijo, kanggo cilik winates dening bahan Milih ing wektu sing padha, miturut kahanan elektrolisis beda bisa disiapake ing morfologi beda struktur grafit,
Iki nyedhiyakake cara sing efektif kanggo kabeh jinis karbon amorf lan gas omah kaca supaya bisa diowahi dadi bahan grafit struktur nano sing larang regane lan nduweni prospek aplikasi sing apik.
Saiki, teknologi iki isih cilik.Ana sawetara studi babagan grafitisasi kanthi metode elektrokimia, lan isih akeh proses sing ora bisa dingerteni.Mulane, perlu kanggo miwiti saka bahan mentah lan nganakake studi komprehensif lan sistematis babagan macem-macem karbon amorf, lan ing wektu sing padha njelajah termodinamika lan dinamika konversi grafit ing tingkat sing luwih jero.
Iki nduweni teges sing wigati kanggo pangembangan industri grafit ing mangsa ngarep.
Wektu kirim: Mei-10-2021