Grafiti ndahet në grafit artificial dhe grafit natyror, rezervat e vërtetuara botërore të grafitit natyror në rreth 2 miliardë tonë.
Grafiti artificial përftohet nga dekompozimi dhe trajtimi termik i materialeve që përmbajnë karbon nën presion normal.Ky transformim kërkon temperaturë dhe energji mjaft të lartë si forcë lëvizëse, dhe struktura e çrregullt do të shndërrohet në një strukturë kristalore të renditur grafiti.
Grafitizimi është në kuptimin më të gjerë të materialit të karbonit përmes rirregullimit të atomeve të karbonit mbi 2000 ℃ përpunimi termik në temperaturë të lartë, megjithatë disa materiale karboni në temperaturë të lartë mbi 3000 ℃ grafitizimi, ky lloj i materialeve të karbonit njihej si "thëngjilli i fortë". Materialet e karbonit të grafitizuar lehtë, metoda tradicionale e grafitizimit përfshin metodën e temperaturës së lartë dhe presionit të lartë, grafitizimin katalitik, metodën e depozitimit kimik të avullit, etj.
Grafitizimi është një mjet efektiv për përdorimin e materialeve karbonike me vlerë të lartë të shtuar.Pas hulumtimeve të gjera dhe të thelluara nga studiuesit, ajo është në thelb e pjekur tani.Megjithatë, disa faktorë të pafavorshëm kufizojnë aplikimin e grafitizimit tradicional në industri, kështu që është një prirje e pashmangshme për të eksploruar metoda të reja të grafitizimit.
Metoda e elektrolizës së kripës së shkrirë që nga shekulli i 19-të ishte më shumë se një shekull zhvillim, teoria e saj themelore dhe metodat e reja janë vazhdimisht inovacion dhe zhvillim, tani nuk kufizohet më në industrinë tradicionale metalurgjike, në fillim të shekullit të 21-të, metali në Sistemi i kripës së shkrirë të oksidit të ngurtë përgatitja reduktuese elektrolitike e metaleve elementare janë bërë fokusi në më aktiv,
Kohët e fundit, një metodë e re për përgatitjen e materialeve grafit me elektrolizë të kripës së shkrirë ka tërhequr shumë vëmendje.
Me anë të polarizimit katodik dhe elektrodepozitimit, dy format e ndryshme të lëndëve të para të karbonit shndërrohen në materiale nanografite me vlerë të lartë të shtuar.Krahasuar me teknologjinë tradicionale të grafitizimit, metoda e re e grafitizimit ka avantazhet e temperaturës më të ulët të grafitizimit dhe morfologjisë së kontrollueshme.
Ky punim shqyrton progresin e grafitizimit me metodën elektrokimike, prezanton këtë teknologji të re, analizon avantazhet dhe disavantazhet e saj dhe perspektivat e tendencës së zhvillimit të saj në të ardhmen.
Së pari, metoda e polarizimit të katodës elektrolitike të kripës së shkrirë
1.1 lënda e parë
Aktualisht, lënda e parë kryesore e grafitit artificial është koksi i gjilpërës dhe koksi i katranit të shkallës së lartë të grafitizimit, përkatësisht nga mbetjet e naftës dhe katrani i qymyrit si lëndë e parë për të prodhuar materiale karboni me cilësi të lartë, me porozitet të ulët, squfur të ulët, hi të ulët. përmbajtja dhe avantazhet e grafitizimit, pasi përgatitja e tij në grafit ka rezistencë të mirë ndaj goditjes, forcë të lartë mekanike, rezistencë të ulët,
Megjithatë, rezervat e kufizuara të naftës dhe luhatjet e çmimeve të naftës kanë kufizuar zhvillimin e saj, kështu që kërkimi i lëndëve të para të reja është bërë një problem urgjent për t'u zgjidhur.
Metodat tradicionale të grafitizimit kanë kufizime, dhe metodat e ndryshme të grafitizimit përdorin lëndë të para të ndryshme.Për karbonin jo të grafitizuar, metodat tradicionale vështirë se mund ta grafitizojnë atë, ndërsa formula elektrokimike e elektrolizës së kripës së shkrirë thyen kufizimet e lëndëve të para dhe është e përshtatshme për pothuajse të gjitha materialet tradicionale të karbonit.
Materialet tradicionale të karbonit përfshijnë karbonin e zi, karbonin e aktivizuar, qymyrin, etj., ndër të cilat qymyri është më premtuesi.Boja me bazë qymyri merr qymyrin si pararendës dhe përgatitet në produkte grafiti në temperaturë të lartë pas trajtimit paraprak.
Kohët e fundit, ky punim propozon një metoda të reja elektrokimike, të tilla si Peng, me anë të elektrolizës së kripës së shkrirë nuk ka gjasa të grafitizojë karbonin e zi në kristalinitetin e lartë të grafitit, elektroliza e mostrave të grafitit që përmbajnë patate të skuqura grafiti në formë petale, ka sipërfaqe të lartë specifike. kur përdoret për bateri litium katodë tregoi performancë të shkëlqyer elektrokimike më shumë se grafiti natyror.
Zhu et al.vendos qymyrin me cilësi të ulët të trajtuar me shkrirje në sistemin e kripës së shkrirë CaCl2 për elektrolizë në 950 ℃ dhe e transformoi me sukses qymyrin me cilësi të ulët në grafit me kristalinitet të lartë, i cili tregoi performancë të mirë shpejtësie dhe jetëgjatësi të gjatë cikli kur përdoret si anodë e baterisë me jon litium .
Eksperimenti tregon se është e mundur të konvertohen lloje të ndryshme të materialeve tradicionale të karbonit në grafit me anë të elektrolizës së kripës së shkrirë, e cila hap një rrugë të re për grafitin sintetik të ardhshëm.
1.2 mekanizmi i
Metoda e elektrolizës së kripës së shkrirë përdor materialin e karbonit si katodë dhe e shndërron atë në grafit me kristalitet të lartë me anë të polarizimit katodik.Aktualisht, literatura ekzistuese përmend heqjen e oksigjenit dhe rirregullimin në distanca të gjata të atomeve të karbonit në procesin e konvertimit të mundshëm të polarizimit katodik.
Prania e oksigjenit në materialet e karbonit do të pengojë në një farë mase grafitizimin.Në procesin tradicional të grafitizimit, oksigjeni do të hiqet ngadalë kur temperatura është më e lartë se 1600K.Sidoqoftë, është jashtëzakonisht i përshtatshëm të deoksidohet përmes polarizimit katodik.
Peng, etj në eksperimentet për herë të parë parashtruan mekanizmin e potencialit të polarizimit katodik të elektrolizës së kripës së shkrirë, domethënë grafitizimi më së shumti vendi për të filluar është të vendoset në ndërfaqen e mikrosferave të ngurta karboni/elektrolitit, formimi i parë i mikrosferës së karbonit rreth një diametër të njëjtë bazë. lëvozhga e grafitit, dhe më pas atomet e karbonit të karbonit të paqëndrueshëm asnjëherë të qëndrueshëm, të përhapur në flakë të jashtme më të qëndrueshme të grafitit, derisa të grafitizohen plotësisht,
Procesi i grafitizimit shoqërohet me heqjen e oksigjenit, gjë që vërtetohet edhe nga eksperimentet.
Jin et al.këtë pikëpamje e vërtetoi edhe nëpërmjet eksperimenteve.Pas karbonizimit të glukozës, u krye grafitizimi (përmbajtja 17% e oksigjenit).Pas grafitizimit, sferat origjinale të karbonit të ngurtë (Fig. 1a dhe 1c) formuan një guaskë poroze të përbërë nga nanofletë grafiti (Fig. 1b dhe 1d).
Me elektrolizë të fibrave të karbonit (16% oksigjen), fibrat e karbonit mund të shndërrohen në tuba grafiti pas grafitizimit sipas mekanizmit të konvertimit të spekuluar në literaturë.
Besohet se lëvizja në distancë të gjatë është nën polarizimin katodik të atomeve të karbonit, grafiti i lartë kristal në rirregullimin e karbonit amorf duhet të përpunojë; të tilla si oksigjeni nga skeleti i karbonit pas si në reagimin katodik, etj.,
Aktualisht, hulumtimi mbi mekanizmin është ende në fazën fillestare dhe nevojiten kërkime të mëtejshme.
1.3 Karakterizimi morfologjik i grafitit sintetik
SEM përdoret për të vëzhguar morfologjinë mikroskopike të sipërfaqes së grafitit, TEM përdoret për të vëzhguar morfologjinë strukturore prej më pak se 0.2 μm, spektroskopia XRD dhe Raman janë mjetet më të përdorura për të karakterizuar mikrostrukturën e grafitit, XRD përdoret për të karakterizuar kristalin informacioni i grafitit, dhe spektroskopia Raman përdoret për të karakterizuar defektet dhe shkallën e rendit të grafitit.
Ka shumë pore në grafitin e përgatitur nga polarizimi katodik i elektrolizës së kripës së shkrirë.Për lëndë të para të ndryshme, si elektroliza e karbonit të zi, përftohen nanostruktura poroze të ngjashme me petalet.Analiza e spektrit XRD dhe Raman kryhet në karbonin e zi pas elektrolizës.
Në 827 ℃, pasi u trajtua me tension 2.6 V për 1 orë, imazhi spektral Raman i karbonit të zi është pothuajse i njëjtë me atë të grafitit komercial.Pasi karboni i zi është trajtuar me temperatura të ndryshme, matet kulmi i mprehtë karakteristik i grafitit (002).Pika e difraksionit (002) paraqet shkallën e orientimit të shtresës aromatike të karbonit në grafit.
Sa më e mprehtë të jetë shtresa e karbonit, aq më e orientuar është.
Zhu përdori qymyrin inferior të pastruar si katodë në eksperiment, dhe mikrostruktura e produktit të grafitizuar u transformua nga struktura e grimcuar në strukturë të madhe grafiti, dhe shtresa e ngushtë e grafitit u vëzhgua gjithashtu nën mikroskopin elektronik të transmetimit me shpejtësi të lartë.
Në spektrat Raman, me ndryshimin e kushteve eksperimentale, ndryshoi edhe vlera ID/Ig.Kur temperatura elektrolitike ishte 950 ℃, koha elektrolitike ishte 6 orë, dhe voltazhi elektrolitik ishte 2.6 V, vlera më e ulët ID/Ig ishte 0.3 dhe kulmi D ishte shumë më i ulët se kulmi G.Në të njëjtën kohë, shfaqja e majës 2D përfaqësonte gjithashtu formimin e strukturës së grafitit shumë të renditur.
Pika e mprehtë e difraksionit (002) në imazhin XRD konfirmon gjithashtu konvertimin e suksesshëm të qymyrit inferior në grafit me kristalitet të lartë.
Në procesin e grafitizimit, rritja e temperaturës dhe tensionit do të luajë një rol nxitës, por tensioni shumë i lartë do të zvogëlojë rendimentin e grafitit dhe temperatura shumë e lartë ose koha shumë e gjatë e grafitizimit do të çojë në humbje të burimeve, kështu që për materiale të ndryshme karboni , është veçanërisht e rëndësishme për të eksploruar kushtet më të përshtatshme elektrolitike, është gjithashtu fokusi dhe vështirësia.
Kjo nanostrukturë petale ka veti të shkëlqyera elektrokimike.Një numër i madh poresh lejojnë që jonet të futen/zhyten shpejt, duke siguruar materiale katodike me cilësi të lartë për bateritë, etj. Prandaj, grafitizimi me metodën elektrokimike është një metodë shumë e mundshme grafitizimi.
Metoda e elektrodepozitimit të kripës së shkrirë
2.1 Elektrodpozimi i dioksidit të karbonit
Si gazi më i rëndësishëm serrë, CO2 është gjithashtu një burim jo toksik, i padëmshëm, i lirë dhe lehtësisht i disponueshëm i rinovueshëm.Megjithatë, karboni në CO2 është në gjendjen më të lartë të oksidimit, kështu që CO2 ka stabilitet të lartë termodinamik, gjë që e bën të vështirë ripërdorimin.
Hulumtimet më të hershme mbi elektrodepozitimin e CO2 mund të gjurmohen në vitet 1960.Ingram et al.karboni i përgatitur me sukses në elektrodë ari në sistemin e kripës së shkrirë të Li2CO3-Na2CO3-K2CO3.
Van et al.vuri në dukje se pluhurat e karbonit të marra në potenciale të ndryshme reduktimi kishin struktura të ndryshme, duke përfshirë grafitin, karbonin amorf dhe nanofibrat e karbonit.
Me kripën e shkrirë për të kapur CO2 dhe metodën e përgatitjes së materialit të karbonit, suksesi, pas një periudhe të gjatë kërkimi, studiuesit janë fokusuar në mekanizmin e formimit të depozitimit të karbonit dhe efektin e kushteve të elektrolizës në produktin përfundimtar, të cilat përfshijnë temperaturën elektrolitike, tensionin elektrolitik dhe përbërjen e kripa e shkrirë dhe elektroda, etj., përgatitja e materialeve grafit me performancë të lartë për elektrodepozitimin e CO2 ka hedhur një themel të fortë.
Duke ndryshuar elektrolitin dhe duke përdorur sistemin e kripës së shkrirë me bazë CaCl2 me efikasitet më të lartë të kapjes së CO2, Hu et al.përgatiti me sukses grafen me shkallë më të lartë grafitizimi dhe nanotuba karboni dhe struktura të tjera nanografiti duke studiuar kushtet elektrolitike si temperatura e elektrolizës, përbërja e elektrodës dhe përbërja e kripës së shkrirë.
Krahasuar me sistemin karbonat, CaCl2 ka avantazhet e lirë dhe të lehtë për t'u marrë, përçueshmëri të lartë, lehtësi për t'u tretur në ujë dhe tretshmëri më të lartë të joneve të oksigjenit, të cilat ofrojnë kushte teorike për shndërrimin e CO2 në produkte grafiti me vlerë të lartë të shtuar.
2.2 Mekanizmi i transformimit
Përgatitja e materialeve të karbonit me vlerë të lartë të shtuar me elektrodepozicion të CO2 nga kripa e shkrirë përfshin kryesisht kapjen e CO2 dhe reduktimin indirekt.Kapja e CO2 plotësohet nga O2- i lirë në kripën e shkrirë, siç tregohet në ekuacionin (1):
CO2+O2-→CO3 2- (1)
Aktualisht, janë propozuar tre mekanizma të reagimit të tërthortë të reduktimit: reagimi me një hap, reagimi me dy hapa dhe mekanizmi i reaksionit të reduktimit të metaleve.
Mekanizmi i reagimit me një hap u propozua për herë të parë nga Ingram, siç tregohet në ekuacionin (2):
CO3 2-+ 4E – →C+3O2- (2)
Mekanizmi i reagimit me dy hapa u propozua nga Borucka et al., siç tregohet në ekuacionin (3-4):
CO3 2-+ 2E – →CO2 2-+O2- (3)
CO2 2-+ 2E – →C+2O2- (4)
Mekanizmi i reaksionit të reduktimit të metaleve u propozua nga Deanhardt et al.Ata besonin se jonet metalike fillimisht u reduktuan në metal në katodë, dhe më pas metali u reduktua në jone karbonate, siç tregohet në ekuacionin (5~6):
M- + E – →M (5)
4 m + M2CO3 – > C + 3 m2o (6)
Aktualisht, mekanizmi i reagimit me një hap është përgjithësisht i pranuar në literaturën ekzistuese.
Yin et al.studioi sistemin e karbonatit Li-Na-K me nikelin si katodë, dioksidin e kallajit si anodë dhe telin e argjendit si elektrodë referencë dhe mori figurën e provës së voltammetrisë ciklike në figurën 2 (shkalla e skanimit prej 100 mV/s) në katodën e nikelit dhe gjeti se kishte vetëm një kulm reduktimi (në -2.0 V) në skanimin negativ.
Prandaj, mund të konstatohet se vetëm një reagim ka ndodhur gjatë reduktimit të karbonatit.
Gao etj.fitoi të njëjtën voltammetri ciklike në të njëjtin sistem karbonatik.
Ge et al.përdori anodë inerte dhe katodë tungsteni për të kapur CO2 në sistemin LiCl-Li2CO3 dhe mori imazhe të ngjashme, dhe vetëm një kulm reduktimi i depozitimit të karbonit u shfaq në skanimin negativ.
Në sistemin e kripës së shkrirë të metaleve alkaline, metalet alkaline dhe CO do të gjenerohen ndërsa karboni depozitohet nga katoda.Megjithatë, për shkak se kushtet termodinamike të reaksionit të depozitimit të karbonit janë më të ulëta në një temperaturë më të ulët, vetëm reduktimi i karbonatit në karbon mund të zbulohet në eksperiment.
2.3 Kapja e CO2 nga kripa e shkrirë për të përgatitur produkte grafiti
Nanomaterialet e grafitit me vlerë të lartë të shtuar si grafeni dhe nanotubat e karbonit mund të përgatiten me elektrodepozicion të CO2 nga kripa e shkrirë duke kontrolluar kushtet eksperimentale.Hu et al.përdoret çelik inox si katodë në sistemin e kripës së shkrirë CaCl2-NaCl-CaO dhe elektrolizohet për 4 orë në kushtet e tensionit konstant 2.6V në temperatura të ndryshme.
Falë katalizimit të hekurit dhe efektit shpërthyes të CO ndërmjet shtresave të grafitit, grafeni u gjet në sipërfaqen e katodës.Procesi i përgatitjes së grafenit është paraqitur në figurën 3.
Piktura
Studimet e mëvonshme shtuan Li2SO4 në bazë të sistemit të kripës së shkrirë CaCl2-NaClCaO, temperatura e elektrolizës ishte 625 ℃, pas 4 orë elektrolize, në të njëjtën kohë në depozitimin katodik të karbonit gjetën grafen dhe nanotuba karboni, studimi zbuloi se Li+ dhe SO4 2 - të sjellë një efekt pozitiv në grafitizimin.
Squfuri gjithashtu integrohet me sukses në trupin e karbonit dhe fletët grafit ultra të holla dhe karboni filamentoz mund të merren duke kontrolluar kushtet elektrolitike.
Materiali si temperatura elektrolitike e lartë dhe e ulët për formimin e grafenit është kritike, kur temperatura më e lartë se 800 ℃ është më e lehtë për të gjeneruar CO në vend të karbonit, pothuajse asnjë depozitim karboni kur është më i lartë se 950 ℃, kështu që kontrolli i temperaturës është jashtëzakonisht i rëndësishëm. për të prodhuar grafen dhe nanotuba karboni, dhe për të rivendosur nevojën e reaksionit të depozitimit të karbonit, sinergji e reagimit të CO për të siguruar që katoda të gjenerojë grafen të qëndrueshëm.
Këto punime ofrojnë një metodë të re për përgatitjen e produkteve të nanografitit nga CO2, e cila ka një rëndësi të madhe për zgjidhjen e gazeve serrë dhe përgatitjen e grafenit.
3. Përmbledhje dhe Outlook
Me zhvillimin e shpejtë të industrisë së re të energjisë, grafiti natyror nuk ka qenë në gjendje të plotësojë kërkesën aktuale, dhe grafiti artificial ka veti fizike dhe kimike më të mira se grafiti natyror, kështu që grafitizimi i lirë, efikas dhe miqësor ndaj mjedisit është një qëllim afatgjatë.
Metodat elektrokimike grafitizimi në lëndët e para të ngurta dhe të gazta me metodën e polarizimit katodik dhe depozitimit elektrokimik ka dalë me sukses nga materialet grafit me vlerë të shtuar të lartë, krahasuar me mënyrën tradicionale të grafitizimit, metoda elektrokimike është me efikasitet më të lartë, konsum më të ulët të energjisë. Mbrojtja e mjedisit të gjelbër, për materiale të vogla të kufizuara në të njëjtën kohë, sipas kushteve të ndryshme të elektrolizës, mund të përgatitet në morfologji të ndryshme të strukturës së grafitit,
Ai siguron një mënyrë efektive që të gjitha llojet e karbonit amorf dhe gazeve serrë të shndërrohen në materiale grafiti të vlefshëm me nano-strukturë dhe ka një perspektivë të mirë aplikimi.
Aktualisht, kjo teknologji është në fillimet e saj.Ka pak studime mbi grafitizimin me metodën elektrokimike dhe ka ende shumë procese të panjohura.Prandaj, është e nevojshme të fillohet nga lëndët e para dhe të kryhet një studim gjithëpërfshirës dhe sistematik mbi karbonet e ndryshme amorfe, dhe në të njëjtën kohë të hulumtohet termodinamika dhe dinamika e shndërrimit të grafitit në një nivel më të thellë.
Këto kanë një rëndësi të gjerë për zhvillimin e ardhshëm të industrisë së grafitit.
Koha e postimit: Maj-10-2021