Grafit divize an grafit atifisyèl ak grafit natirèl, rezèv pwouve nan mond lan nan grafit natirèl nan apeprè 2 milya tòn.
Yo jwenn grafit atifisyèl pa dekonpozisyon ak tretman chalè materyèl ki gen kabòn anba presyon nòmal. Transfòmasyon sa a mande yon tanperati ak yon enèji ki ase wo kòm fòs motè, epi estrikti dezòdone a pral transfòme an yon estrikti kristal grafit ki byen òdone.
Nan sans ki pi laj, grafitizasyon se yon materyèl kabonèz ki sibi yon tretman chalè nan yon tanperati ki pi wo pase 2000 ℃ ki rearanje atòm kabòn. Sepandan, gen kèk materyèl kabòn ki grafitize nan yon tanperati ki pi wo pase 3000 ℃. Kalite materyèl kabòn sa a te konnen kòm "chabon di". Pou materyèl kabòn ki grafitize fasilman, metòd grafitizasyon tradisyonèl la gen ladan metòd tanperati ki wo ak presyon ki wo, grafitizasyon katalitik, metòd depo vapè chimik, elatriye.
Grafitizasyon se yon mwayen efikas pou itilizasyon materyèl kabonik ki gen anpil valè ajoute. Apre rechèch vaste ak apwofondi pa entelektyèl yo, li fondamantalman matirite kounye a. Sepandan, kèk faktè defavorab limite aplikasyon grafitizasyon tradisyonèl la nan endistri a, kidonk li se yon tandans inevitab pou eksplore nouvo metòd grafitizasyon.
Depi 19yèm syèk la, metòd elektwoliz sèl fonn lan te gen plis pase yon syèk devlopman. Teyori debaz li yo ak nouvo metòd yo toujou ap inove ak devlope. Kounye a, li pa limite a endistri metaliji tradisyonèl la ankò. Nan kòmansman 21yèm syèk la, sistèm sèl fonn nan, rediksyon elektwolitik oksid solid pou preparasyon metal elemantè yo te vin pi aktif nan konsantre.
Dènyèman, yon nouvo metòd pou prepare materyèl grafit pa elektwoliz sèl fonn te atire anpil atansyon.
Pa mwayen polarizasyon katodik ak elektwodepozisyon, de diferan fòm matyè premyè kabòn yo transfòme an materyèl nano-grafit ki gen gwo valè ajoute. Konpare ak teknoloji grafitizasyon tradisyonèl la, nouvo metòd grafitizasyon an gen avantaj tanperati grafitizasyon ki pi ba ak mòfoloji kontwolab.
Atik sa a revize pwogrè grafitizasyon pa metòd elektwochimik la, prezante nouvo teknoloji sa a, analize avantaj ak dezavantaj li yo, epi li fè yon pwospè sou tandans devlopman li nan lavni.
Premyèman, metòd polarizasyon katod elektwolitik sèl fonn
1.1 matyè premyè a
Kounye a, prensipal matyè premyè pou grafit atifisyèl se kok zegwi ak kok goudwon ki gen yon wo degre grafitizasyon. Yo itilize rezidi lwil ak goudwon chabon kòm matyè premyè pou pwodui materyèl kabòn kalite siperyè, ki gen yon porosit ki ba, yon ti kantite souf, yon ti kantite sann epi ki gen avantaj grafitizasyon. Apre yo fin prepare grafit, li gen bon rezistans kont enpak, gwo fòs mekanik ak ti rezistivite.
Sepandan, rezèv petwòl limite ak pri petwòl ki varye te limite devlopman li, kidonk rechèch nouvo matyè premyè vin tounen yon pwoblèm ijan pou rezoud.
Metòd grafitizasyon tradisyonèl yo gen limit, epi diferan metòd grafitizasyon yo itilize diferan matyè premyè. Pou kabòn ki pa grafitize, metòd tradisyonèl yo diman ka grafitize li, alòske fòmil elektwochimik elektwoliz sèl fonn lan kraze limit matyè premyè yo, epi li apwopriye pou prèske tout materyèl kabòn tradisyonèl yo.
Materyèl kabòn tradisyonèl yo enkli nwa kabòn, chabon aktive, chabon, elatriye, pami yo chabon se pi pwomèt la. Lank ki baze sou chabon an pran chabon kòm prekisè epi li prepare an pwodwi grafit nan tanperati ki wo apre pre-tretman.
Dènyèman, atik sa a pwopoze yon nouvo metòd elektwochimik, tankou Peng, pa elektwoliz sèl fonn ki fasil pou grafitize nwa kabòn nan grafit ki gen gwo kristalinite. Echantiyon grafit ki gen chip nanomèt grafit ki gen fòm petal elektwoliz la gen yon sifas espesifik ki wo. Lè yo itilize li kòm katod batri ityòm, li montre yon pèfòmans elektwochimik ekselan, pi bon pase grafit natirèl.
Zhu et al. te mete chabon bon kalite ki te trete apre yo te fin retire sann nan yon sistèm sèl fonn CaCl2 pou elektwoliz a 950 ℃, epi yo te transfòme chabon bon kalite a avèk siksè an grafit ki gen yon kristalinite wo, ki te montre yon bon pèfòmans vitès ak yon lavi sik long lè yo te itilize li kòm anod pou yon batri ityòm iyon.
Eksperyans lan montre ke li posib pou konvèti diferan kalite materyèl kabòn tradisyonèl an grafit pa mwayen elektwoliz sèl fonn, ki ouvri yon nouvo chemen pou grafit sentetik nan lavni.
1.2 mekanis lan
Metòd elektwoliz sèl fonn lan itilize materyèl kabòn kòm katod epi konvèti li an grafit ki gen yon kristalinite wo atravè polarizasyon katodik. Kounye a, literati ki egziste deja mansyone retire oksijèn ak rearanjman atòm kabòn sou long distans nan pwosesis konvèsyon potansyèl polarizasyon katodik la.
Prezans oksijèn nan materyèl kabòn yo ap anpeche grafitizasyon nan yon sèten mezi. Nan pwosesis grafitizasyon tradisyonèl la, oksijèn ap retire dousman lè tanperati a pi wo pase 1600K. Sepandan, li trè pratik pou dezokside atravè polarizasyon katodik.
Pou premye fwa, Peng ak lòt moun nan eksperyans yo te prezante mekanis potansyèl polarizasyon katodik elektwoliz sèl fonn lan. Se poutèt sa, grafitizasyon an dwe kòmanse nan yon koòdone mikwosfè kabòn solid/elektwolit. Premye kote pou kòmanse se lè yo lokalize yon mikwosfè kabòn otou yon koki grafit debaz ki gen menm dyamèt, epi answit, atòm kabòn anidri ki pa estab yo gaye nan yon flokon grafit ekstèn ki pi estab, jiskaske yo grafitize nèt.
Pwosesis grafitizasyon an akonpaye pa eliminasyon oksijèn, sa ki konfime tou pa eksperyans.
Jin et al. te pwouve pwen de vi sa a tou atravè eksperyans. Apre karbonizasyon glikoz la, yo te fè grafitizasyon (17% kontni oksijèn). Apre grafitizasyon an, esfè kabòn solid orijinal yo (Fig. 1a ak 1c) te fòme yon kokiy pore ki konpoze de fèy grafit (Fig. 1b ak 1d).
Pa elektwoliz fib kabòn (16% oksijèn), fib kabòn yo ka konvèti an tib grafit apre grafitizasyon dapre mekanis konvèsyon ki espekile nan literati a.
Yo kwè ke mouvman long distans lan fèt anba polarizasyon katodik atòm kabòn yo. Grafit kristal wo a dwe rearanje pou rive nan yon rearanjman kabòn amorf. Grafit sentetik bay nanostrikti ki gen fòm petal inik epi ki benefisye de atòm oksijèn yo. Men, fason espesifik pou enfliyanse estrikti nanomèt grafit la pa klè. Pa egzanp, kijan oksijèn soti nan skelèt kabòn nan reyaksyon katod la rive, elatriye.
Kounye a, rechèch sou mekanis lan toujou nan premye etap li yo, epi plis rechèch nesesè.
1.3 Karakterizasyon mòfolojik grafit sentetik
Yo itilize SEM pou obsève mòfoloji sifas mikwoskopik grafit la, yo itilize TEM pou obsève mòfoloji estriktirèl ki mwens pase 0.2 μm, XRD ak spektroskopi Raman se mwayen ki pi souvan itilize pou karakterize mikwoestrikti grafit la, yo itilize XRD pou karakterize enfòmasyon kristal grafit la, epi yo itilize spektroskopi Raman pou karakterize domaj ak degre lòd grafit la.
Gen anpil porositë nan grafit ki prepare pa polarizasyon katod elektwoliz sèl fonn. Pou diferan matyè premyè, tankou elektwoliz nwa kabòn, yo jwenn nanostrikti pore ki sanble ak petal. Yo fè analiz XRD ak spectre Raman sou nwa kabòn apre elektwoliz.
A 827 ℃, apre tretman ak yon vòltaj 2.6V pandan 1 èdtan, imaj espektral Raman nwa kabòn nan prèske menm jan ak grafit komèsyal la. Apre tretman nwa kabòn nan diferan tanperati, yo mezire pik karakteristik grafit byen file a (002). Pik difraksyon an (002) reprezante degre oryantasyon kouch kabòn aromatik la nan grafit la.
Plis kouch kabòn nan file, se plis li oryante.
Zhu te itilize chabon enferyè pirifye a kòm katod nan eksperyans lan, epi mikwoestrikti pwodwi grafitize a te transfòme soti nan yon estrikti granulaire rive nan yon gwo estrikti grafit, epi kouch grafit sere a te obsève tou anba mikwoskòp elektwonik transmisyon wo vitès la.
Nan spectre Raman yo, avèk chanjman kondisyon eksperimantal yo, valè ID/Ig la te chanje tou. Lè tanperati elektwolitik la te 950 ℃, tan elektwolitik la te 6 èdtan, epi vòltaj elektwolitik la te 2.6V, valè ID/Ig ki pi ba a te 0.3, epi pik D a te pi ba anpil pase pik G a. An menm tan, aparans pik 2D a te reprezante tou fòmasyon yon estrikti grafit ki trè òdone.
Pik difraksyon byen file (002) nan imaj XRD a konfime tou siksè konvèsyon chabon enferyè a an grafit ki gen yon kristalinite wo.
Nan pwosesis grafitizasyon an, ogmantasyon tanperati ak vòltaj ap jwe yon wòl pwomosyonèl, men yon vòltaj twò wo ap diminye sede grafit la, epi yon tanperati twò wo oswa yon tan grafitizasyon twò long ap mennen nan gaspiyaj resous. Se poutèt sa, pou diferan materyèl kabòn, li patikilyèman enpòtan pou chèche kondisyon elektwolitik ki pi apwopriye yo, ki se tou pwen fokal la ak difikilte a.
Nanoestrikti flokon ki sanble ak petal sa a gen ekselan pwopriyete elektwochimik. Yon gwo kantite pò pèmèt iyon yo antre/de-entegre byen vit, sa ki bay materyèl katod kalite siperyè pou pil, elatriye. Se poutèt sa, metòd grafitizasyon elektwochimik la se yon metòd grafitizasyon ki gen anpil potansyèl.
Metòd elektwodepozisyon sèl fonn
2.1 Elektwodepozisyon diyoksid kabòn
Kòm gaz ki pi enpòtan ki lakòz efè tèmik, CO2 se yon resous renouvlab ki pa toksik, ki pa danjere, ki bon mache epi ki fasil pou jwenn. Sepandan, kabòn ki nan CO2 a nan eta oksidasyon ki pi wo a, kidonk CO2 gen yon gwo estabilite tèmodinamik, sa ki fè li difisil pou reitilize.
Premye rechèch sou elektwòdpozisyon CO2 yo ka remonte nan ane 1960 yo. Ingram et al. te prepare avèk siksè kabòn sou elektwòd lò nan sistèm sèl fonn Li2CO3-Na2CO3-K2CO3.
Van et al. te fè remake ke poud kabòn yo jwenn nan diferan potansyèl rediksyon yo te gen diferan estrikti, tankou grafit, kabòn amorf ak nanofib kabòn.
Lè yo itilize sèl fonn pou kaptire CO2 epi prepare materyèl kabòn avèk siksè, apre yon bon bout tan rechèch chèchè yo te konsantre sou mekanis fòmasyon depo kabòn ak efè kondisyon elektwoliz yo sou pwodwi final la, ki gen ladan tanperati elektwolitik, vòltaj elektwolitik ak konpozisyon sèl fonn ak elektwòd yo, elatriye, preparasyon materyèl grafit pèfòmans segondè pou elektwodepozisyon CO2 te poze yon fondasyon solid.
Lè yo chanje elektwolit la epi yo itilize yon sistèm sèl fonn ki baze sou CaCl2 ak yon pi gwo efikasite kaptire CO2, Hu et al. te reyisi prepare grafèn ak yon degre grafitizasyon ki pi wo ak nanotub kabòn ak lòt estrikti nanografit lè yo etidye kondisyon elektwolitik tankou tanperati elektwoliz, konpozisyon elektwòd ak konpozisyon sèl fonn.
Konpare ak sistèm kabonat la, CaCl2 gen avantaj li yo: li bon mache epi fasil pou jwenn, li gen gwo konduktivite, li fasil pou fonn nan dlo, epi li gen plis solubilite nan iyon oksijèn, sa ki bay kondisyon teyorik pou konvèsyon CO2 an pwodwi grafit ki gen gwo valè ajoute.
2.2 Mekanis Transfòmasyon
Preparasyon materyèl kabòn ki gen gwo valè ajoute pa elektwodepozisyon CO2 soti nan sèl fonn gen ladan sitou kaptire CO2 ak rediksyon endirèk. Kaptire CO2 a konplete pa O2- lib nan sèl fonn, jan yo montre nan ekwasyon (1):
CO2+O2-→CO3 2- (1)
Kounye a, yo pwopoze twa mekanis reyaksyon rediksyon endirèk: reyaksyon yon sèl etap, reyaksyon de etap ak mekanis reyaksyon rediksyon metal.
Mekanis reyaksyon yon sèl etap la te premye pwopoze pa Ingram, jan yo montre nan ekwasyon (2):
CO3 2-+ 4E – →C+3O2- (2)
Mekanis reyaksyon an de etap la te pwopoze pa Borucka et al., jan yo montre nan ekwasyon (3-4):
CO3 2-+ 2E – →CO2 2-+O2- (3)
CO2 2-+ 2E – →C+2O2- (4)
Deanhardt et al. te pwopoze mekanis reyaksyon rediksyon metal la. Yo te kwè ke iyon metal yo te premye redwi an metal nan katod la, epi apre sa metal la te redwi an iyon kabonat, jan yo montre nan ekwasyon (5~6):
M- + E – →M (5)
4 m + M2CO3 – > C + 3 m2o (6)
Kounye a, mekanis reyaksyon yon sèl etap la jeneralman aksepte nan literati ki egziste a.
Yin et al. te etidye sistèm kabonat Li-Na-K a avèk nikèl kòm katod, diyoksid eten kòm anod ak fil ajan kòm elektwòd referans, epi yo te jwenn figi tès voltametri siklik la nan Figi 2 (vitès eskanè 100 mV/s) nan katod nikèl la, epi yo te jwenn ke te gen yon sèl pik rediksyon (a -2.0V) nan eskanè negatif la.
Se poutèt sa, nou ka konkli ke se yon sèl reyaksyon ki te fèt pandan rediksyon kabonat la.
Gao et al. te jwenn menm voltametri siklik la nan menm sistèm kabonat la.
Ge et al. te itilize anod inaktif ak katod tengstèn pou kaptire CO2 nan sistèm LiCl-Li2CO3 la epi yo te jwenn imaj menm jan an, epi se sèlman yon pik rediksyon nan depo kabòn ki te parèt nan eskanè negatif la.
Nan sistèm sèl fonn metal alkalin an, metal alkali ak CO2 ap pwodui pandan katod la depoze kabòn. Sepandan, paske kondisyon tèmodinamik reyaksyon depo kabòn nan pi ba nan yon tanperati ki pi ba, se sèlman rediksyon kabonat an kabòn ki ka detekte nan eksperyans lan.
2.3 Kaptire CO2 pa sèl fonn pou prepare pwodwi grafit
Yo ka prepare nanomateryèl grafit ki gen gwo valè ajoute tankou grafèn ak nanotub kabòn pa elektwodepozisyon CO2 soti nan sèl fonn lè yo kontwole kondisyon eksperimantal yo. Hu et al. te itilize asye pur kòm katod nan sistèm sèl fonn CaCl2-NaCl-CaO a epi yo te elektwolize li pandan 4 èdtan anba kondisyon vòltaj konstan 2.6V nan diferan tanperati.
Gras a kataliz fè a ak efè eksplozif CO2 ant kouch grafit yo, yo te jwenn grafèn sou sifas katod la. Pwosesis preparasyon grafèn nan montre nan Fig. 3.
Foto a
Etid pita yo te ajoute Li2SO4 sou baz sistèm sèl fonn CaCl2-NaClCaO, tanperati elektwoliz la te 625 ℃, apre 4 èdtan elektwoliz, an menm tan nan depo katodik kabòn nan yo te jwenn grafèn ak nanotub kabòn, etid la te jwenn ke Li+ ak SO42- te gen yon efè pozitif sou grafitizasyon.
Souf entegre avèk siksè nan kò kabòn nan, epi fèy grafit ultra-mens ak kabòn filamanteuz ka jwenn lè yo kontwole kondisyon elektwolitik yo.
Materyèl tankou tanperati elektwolitik wo ak ba yo kritik pou fòmasyon grafèn. Lè tanperati a pi wo pase 800 ℃, li pi fasil pou jenere CO2 olye de kabòn. Lè tanperati a pi wo pase 950 ℃, prèske pa gen okenn depo kabòn. Se poutèt sa, kontwòl tanperati a trè enpòtan pou pwodui grafèn ak nanotub kabòn, epi retabli sinèji reyaksyon depo kabòn CO2 a pou asire ke katod la jenere grafèn ki estab.
Travay sa yo bay yon nouvo metòd pou preparasyon pwodwi nano-grafit ak CO2, ki gen yon gwo enpòtans pou solisyon gaz ki lakòz efè tèmik ak preparasyon grafèn.
3. Rezime ak Pèspektiv
Avèk devlopman rapid nouvo endistri enèji a, grafit natirèl pa kapab satisfè demann aktyèl la, epi grafit atifisyèl gen pi bon pwopriyete fizik ak chimik pase grafit natirèl, kidonk grafitizasyon bon mache, efikas e zanmitay anviwònman an se yon objektif alontèm.
Metòd grafitizasyon elektwochimik nan matyè premyè solid ak gazez avèk metòd polarizasyon katodik ak depo elektwochimik te reyisi soti nan materyèl grafit ki gen yon gwo valè ajoute. Konpare ak metòd tradisyonèl grafitizasyon an, metòd elektwochimik la gen pi gwo efikasite, pi ba konsomasyon enèji, pwoteksyon anviwònman vèt, pou ti limite pa materyèl selektif an menm tan, dapre diferan kondisyon elektwoliz yo ka prepare nan diferan mòfoloji estrikti grafit.
Li bay yon fason efikas pou konvèti tout kalite kabòn amorf ak gaz ki lakòz efè tèmik an materyèl grafit nano-estriktire ki gen anpil valè epi li gen yon bon pwospè aplikasyon.
Kounye a, teknoloji sa a toujou nan premye etap li yo. Gen kèk etid sou grafitizasyon pa metòd elektwochimik, epi toujou gen anpil pwosesis ki pa konnen. Se poutèt sa, li nesesè pou kòmanse ak matyè premyè epi fè yon etid konplè ak sistematik sou divès kalite kabòn amorf, epi an menm tan eksplore tèmodinamik ak dinamik konvèsyon grafit la nan yon nivo pi pwofon.
Sa yo gen yon siyifikasyon enpòtan pou devlopman nan lavni endistri grafit la.
Dat piblikasyon: 10 Me 2021