Графитот е поделен на вештачки графит и природен графит, со докажани светски резерви на природен графит од околу 2 милијарди тони.
Вештачкиот графит се добива со распаѓање и термичка обработка на материјали што содржат јаглерод под нормален притисок. Оваа трансформација бара доволно висока температура и енергија како движечка сила, а неуредна структура ќе се трансформира во подредена кристална структура на графит.
Графитизацијата во најширока смисла е јаглероден материјал преку преуредување на јаглеродни атоми на висока температура над 2000 ℃, меѓутоа, некои јаглеродни материјали при графитизација на висока температура над 3000 ℃, овој вид јаглеродни материјали е познат како „тврд јаглен“, за лесни графитизирани јаглеродни материјали, традиционалниот метод на графитизација вклучува метод на висока температура и висок притисок, каталитичка графитизација, метод на хемиско таложење на пареа итн.
Графитизацијата е ефикасно средство за искористување на јаглеродни материјали со висока додадена вредност. По обемни и длабински истражувања од страна на научниците, таа во основа е сега зрела. Сепак, некои неповолни фактори ја ограничуваат примената на традиционалната графитизација во индустријата, па затоа е неизбежен тренд да се истражуваат нови методи на графитизација.
Методот на електролиза на стопена сол од 19 век е повеќе од еден век на развој, неговата основна теорија и нови методи се постојано иновативни и развиени, сега веќе не е ограничен само на традиционалната металуршка индустрија, на почетокот на 21 век, металот во системот за стопена сол, подготовката на цврст оксид електролитичка редукција на елементарни метали стана фокус во поактивните,
Неодамна, голем интерес привлече нов метод за подготовка на графитни материјали со електролиза на стопена сол.
Со помош на катодна поларизација и електродепозиција, двете различни форми на јаглеродни суровини се трансформираат во нанографитни материјали со висока додадена вредност. Во споредба со традиционалната технологија на графитизација, новиот метод на графитизација има предности на пониска температура на графитизација и контролирана морфологија.
Во овој труд се разгледува напредокот на графитизацијата со електрохемиски метод, се воведува оваа нова технологија, се анализираат нејзините предности и недостатоци и се разгледува нејзиниот иден развој.
Прво, метод на електролитичка катодна поларизација на стопена сол
1.1 суровина
Во моментов, главната суровина за вештачки графит е иглест кокс и смолен кокс со висок степен на графитизација, имено од остатоци од нафта и катран од јаглен како суровина за производство на висококвалитетни јаглеродни материјали, со ниска порозност, низок сулфур, ниска содржина на пепел и предности на графитизацијата, по неговата подготовка во графит има добра отпорност на удар, висока механичка цврстина, низок отпор,
Сепак, ограничените резерви на нафта и флуктуирачките цени на нафтата го ограничија нејзиниот развој, па затоа барањето нови суровини стана итен проблем што треба да се реши.
Традиционалните методи на графитизација имаат ограничувања, а различните методи на графитизација користат различни суровини. За неграфитизиран јаглерод, традиционалните методи тешко можат да го графитизираат, додека електрохемиската формула на електролиза на стопена сол ги пробива ограничувањата на суровините и е погодна за речиси сите традиционални јаглеродни материјали.
Традиционалните јаглеродни материјали вклучуваат јаглероден црн јаглен, активен јаглен, јаглен итн., меѓу кои јагленот е најперспективен. Мастилото на база на јаглен го зема јагленот како претходник и се подготвува во графитни производи на висока температура по претходна обработка.
Неодамна, овој труд предлага нови електрохемиски методи, како што е Пенг, каде што електролизата со стопена сол е малку веројатно да го графитира јаглеродниот црнец во висока кристаличност на графитот, електролизата на графитни примероци што содржат графитни нанометриски чипови во облик на венчелистче, има висока специфична површина, кога се користи за катода на литиумска батерија покажа одлични електрохемиски перформанси повеќе од природниот графит.
Жу и сор. го ставија јагленот со низок квалитет третиран со отстранување на пепел во систем на стопена сол од CaCl2 за електролиза на 950 ℃ и успешно го трансформираа јагленот со низок квалитет во графит со висока кристалност, што покажа добри перформанси на брзината и долг век на траење кога се користеше како анода на литиум-јонска батерија.
Експериментот покажува дека е изводливо да се претворат различни видови традиционални јаглеродни материјали во графит со помош на стопена електролиза на сол, што отвора нов пат за иден синтетички графит.
1.2 механизмот на
Методот на електролиза со стопена сол користи јаглероден материјал како катода и го претвора во графит со висока кристаличност преку катодна поларизација. Во моментов, постојната литература споменува отстранување на кислород и преуредување на јаглеродни атоми на долги растојанија во процесот на потенцијална конверзија на катодна поларизација.
Присуството на кислород во јаглеродните материјали ќе ја попречи графитизацијата до одреден степен. Во традиционалниот процес на графитизација, кислородот полека ќе се отстрани кога температурата е повисока од 1600K. Сепак, исклучително е погодно да се деоксидира преку катодна поларизација.
Пенг и други во експериментите за прв пат го предложија механизмот на катодна поларизација на потенцијалот на стопена сол електролиза, имено графитизацијата, најпочетното место е да се лоцира во интерфејсот помеѓу цврсти јаглеродни микросфери/електролит, прво се формираат јаглеродни микросфери околу основна графитна обвивка со ист дијаметар, а потоа никогаш не се стабилни безводни јаглеродни атоми на јаглерод се шират на постабилна надворешна графитна снегулка, сè додека не се графитираат целосно,
Процесот на графитизација е придружен со отстранување на кислород, што е потврдено и со експерименти.
Џин и сор. исто така го докажаа ова гледиште преку експерименти. По карбонизацијата на гликозата, беше извршена графитизација (содржина на кислород од 17%). По графитизацијата, оригиналните цврсти јаглеродни сфери (Сл. 1а и 1в) формираа порозна обвивка составена од графитни нанолистови (Сл. 1б и 1д).
Со електролиза на јаглеродни влакна (16% кислород), јаглеродните влакна можат да се претворат во графитни цевки по графитизација според механизмот на конверзија шпекулиран во литературата.
Се верува дека движењето на долги растојанија е под катодна поларизација на јаглеродните атоми, висококристалниот графит во аморфен јаглероден преуредување мора да се обработи, синтетичкиот графит со уникатен облик на ливчиња има корист од кислородните атоми, но специфичниот начин да се влијае на графитната нанометриска структура не е јасен, како што е кислородот од јаглеродниот скелет по реакцијата на катодата, итн.
Во моментов, истражувањето на механизмот е сè уште во почетна фаза и потребни се понатамошни истражувања.
1.3 Морфолошка карактеризација на синтетички графит
SEM се користи за набљудување на микроскопската површинска морфологија на графитот, TEM се користи за набљудување на структурната морфологија на површини помали од 0,2 μm, XRD и Рамановата спектроскопија се најчесто користените средства за карактеризирање на микроструктурата на графитот, XRD се користи за карактеризирање на кристалните информации на графитот, а Рамановата спектроскопија се користи за карактеризирање на дефектите и степенот на ред на графитот.
Графитот подготвен со катодна поларизација на стопена електролиза на сол има многу пори. За различни суровини, како што е електролизата на јаглеродна црна боја, се добиваат порозни наноструктури слични на ливчиња. На јаглеродната црна боја по електролизата се вршат XRD и Раманова спектрална анализа.
На 827 ℃, по третирање со напон од 2,6V во тек на 1 час, Рамановата спектрална слика на јаглеродот е речиси иста како и кај комерцијалниот графит. Откако јаглеродот ќе се третира со различни температури, се мери остриот карактеристичен врв на графитот (002). Врвот на дифракција (002) го претставува степенот на ориентација на ароматичниот јаглероден слој во графитот.
Колку е поостар јаглеродниот слој, толку е поориентиран.
Жу го користел прочистениот инфериорен јаглен како катода во експериментот, а микроструктурата на графитизираниот производ била трансформирана од грануларна во голема графитна структура, а цврстиот графитен слој бил забележан и под електронски микроскоп со висока брзина на трансмисија.
Во Рамановите спектри, со промената на експерименталните услови, вредноста ID/Ig исто така се промени. Кога електролитската температура беше 950 ℃, електролитското време беше 6 часа, а електролитскиот напон беше 2,6 V, најниската вредност ID/Ig беше 0,3, а D пикот беше многу помал од G пикот. Во исто време, појавата на 2D пик, исто така, претставуваше формирање на високо подредена графитна структура.
Остриот дифракциски врв (002) на XRD сликата, исто така, ја потврдува успешната конверзија на инфериорен јаглен во графит со висока кристалност.
Во процесот на графитизација, зголемувањето на температурата и напонот ќе игра промотивна улога, но превисокиот напон ќе го намали приносот на графит, а превисоката температура или предолгото време на графитизација ќе доведат до губење на ресурси, па затоа за различни јаглеродни материјали, особено е важно да се истражат најсоодветните електролитски услови, што е исто така фокус и тежина.
Оваа наноструктура во форма на ливче во облик на снегулка има одлични електрохемиски својства. Големиот број пори овозможуваат брзо вметнување/повторно вградување на јони, обезбедувајќи висококвалитетни катодни материјали за батерии итн. Затоа, електрохемискиот метод на графитизација е многу потенцијален метод на графитизација.
Метод на електродепозиција со стопена сол
2.1 Електродепозиција на јаглерод диоксид
Како најважен стакленички гас, CO2 е исто така нетоксичен, безопасен, евтин и лесно достапен обновлив ресурс. Сепак, јаглеродот во CO2 е во највисока оксидациска состојба, па затоа CO2 има висока термодинамичка стабилност, што го отежнува неговото повторно користење.
Најраните истражувања за електродепозиција на CO2 датираат од 1960-тите. Инграм и сор. успешно подготвиле јаглерод на златна електрода во системот на стопена сол на Li2CO3-Na2CO3-K2CO3.
Ван и сор. истакнаа дека јаглеродните прашоци добиени со различни редукциски потенцијали имале различни структури, вклучувајќи графит, аморфен јаглерод и јаглеродни нановлакна.
Со стопена сол за зафаќање на CO2 и метод на подготовка на јаглероден материјал, по долг период на истражување, научниците се фокусираа на механизмот на формирање на таложење на јаглерод и ефектот на условите на електролиза врз финалниот производ, кои вклучуваат електролитска температура, електролитски напон и состав на стопена сол и електроди итн., подготовката на високо-ефикасни графитни материјали за електродепозиција на CO2 постави солидна основа.
Со промена на електролитот и користење на систем на стопена сол базиран на CaCl2 со поголема ефикасност на зафаќање на CO2, Ху и сор. успешно подготвија графен со повисок степен на графитизација и јаглеродни наноцевки и други нанографитни структури со проучување на електролитичките услови како што се температурата на електролиза, составот на електродата и составот на стопената сол.
Во споредба со карбонатниот систем, CaCl2 има предности како што се евтин и лесен за добивање, висока спроводливост, лесно растворлив во вода и поголема растворливост на кислородни јони, што обезбедува теоретски услови за претворање на CO2 во графитни производи со висока додадена вредност.
2.2 Механизам на трансформација
Подготовката на јаглеродни материјали со висока додадена вредност со електродепозиција на CO2 од стопена сол главно вклучува зафаќање на CO2 и индиректна редукција. Зафаќањето на CO2 се завршува со слободен O2- во стопена сол, како што е прикажано во равенката (1):
CO2+O2-→CO3 2- (1)
Во моментов, предложени се три индиректни механизма на реакции на редукција: едностепена реакција, двостепена реакција и механизам на реакција на редукција на метали.
Механизмот на едностепена реакција првпат го предложи Инграм, како што е прикажано во равенката (2):
CO3 2-+ 4E – →C+3O2- (2)
Механизмот на двостепена реакција беше предложен од Боруцка и сор., како што е прикажано во равенката (3-4):
CO3 2-+ 2E – →CO2 2-+O2- (3)
CO2 2-+ 2E – →C+2O2- (4)
Механизмот на реакцијата на редукција на метали беше предложен од Динхард и сор. Тие веруваа дека металните јони прво се редуцираат до метал во катодата, а потоа металот се редуцира до карбонатни јони, како што е прикажано во равенката (5~6):
М- + Е – →М (5)
4 м + M2CO3 – > C + 3 м2о (6)
Во моментов, механизмот на едностепена реакција е генерално прифатен во постојната литература.
Јин и сор. го проучувале системот Li-Na-K карбонат со никел како катода, калај диоксид како анода и сребрена жица како референтна електрода, и ја добиле бројката за цикличен волтаметриски тест на Слика 2 (брзина на скенирање од 100 mV/s) на никел катодата, и откриле дека има само еден редукциски врв (на -2,0V) во негативното скенирање.
Затоа, може да се заклучи дека за време на редукцијата на карбонатот се случила само една реакција.
Гао и сор. ја добиле истата циклична волтаметрија во истиот карбонатен систем.
Ге и сор. користеле инертна анода и волфрамска катода за да го заробат CO2 во системот LiCl-Li2CO3 и добиле слични слики, а при негативното скенирање се појавил само редукциски врв на таложење на јаглерод.
Во системот на стопена сол од алкални метали, алкалните метали и CO2 ќе се генерираат додека јаглеродот се таложи од катодата. Меѓутоа, бидејќи термодинамичките услови на реакцијата на таложење на јаглерод се пониски на пониска температура, во експериментот може да се открие само редукцијата на карбонатот во јаглерод.
2.3 Зафаќање на CO2 со стопена сол за подготовка на графитни производи
Графитни наноматеријали со висока додадена вредност, како што се графенот и јаглеродните наноцевки, може да се подготват со електродепозиција на CO2 од стопена сол со контролирање на експерименталните услови. Ху и сор. користеле не'рѓосувачки челик како катода во системот со стопена сол CaCl2-NaCl-CaO и електролизирале 4 часа под услови на константен напон од 2,6 V на различни температури.
Благодарение на катализата на железото и експлозивниот ефект на CO помеѓу графитните слоеви, на површината на катодата е пронајден графен. Процесот на подготовка на графенот е прикажан на Сл. 3.
Сликата
Подоцнежните студии додадоа Li2SO4 врз основа на CaCl2-NaClCaO систем на стопена сол, температурата на електролиза беше 625 ℃, по 4 часа електролиза, во исто време при катодно таложење на јаглерод пронајдени се графен и јаглеродни наноцевки, студијата покажа дека Li+ и SO42- имаат позитивен ефект врз графитизацијата.
Сулфурот е исто така успешно интегриран во јаглеродното тело, а со контролирање на електролитичките услови може да се добијат ултратенки графитни листови и филаментозен јаглерод.
Материјалите како што се електролитните температури на висока и ниска за формирање на графен се критични, кога температурата е повисока од 800 ℃ е полесно да се генерира CO2 наместо јаглерод, речиси и да нема таложење на јаглерод кога е повисока од 950 ℃, па затоа контролата на температурата е исклучително важна за производство на графен и јаглеродни наноцевки, и враќање на потребата од синергија на реакцијата на таложење на јаглерод CO2 за да се обезбеди катодата да генерира стабилен графен.
Овие трудови обезбедуваат нов метод за подготовка на нанографитни производи со CO2, што е од големо значење за растворање на стакленички гасови и подготовка на графен.
3. Резиме и перспектива
Со брзиот развој на новата енергетска индустрија, природниот графит не е во можност да ја задоволи моменталната побарувачка, а вештачкиот графит има подобри физички и хемиски својства од природниот графит, па затоа евтината, ефикасна и еколошка графитизација е долгорочна цел.
Електрохемиските методи на графитизација во цврсти и гасовити суровини со методот на катодна поларизација и електрохемиско таложење беа успешно извлечени од графитните материјали со висока додадена вредност, во споредба со традиционалниот начин на графитизација, електрохемискиот метод е со поголема ефикасност, помала потрошувачка на енергија, зелена заштита на животната средина, за мали ограничени со селективни материјали во исто време, според различните услови на електролиза може да се подготват со различна морфологија на графитната структура,
Овозможува ефикасен начин за претворање на сите видови аморфен јаглерод и стакленички гасови во вредни наноструктурирани графитни материјали и има добра перспектива за примена.
Во моментов, оваа технологија е во повој. Постојат малку студии за графитизација со електрохемиски метод, а сè уште има многу непознати процеси. Затоа, потребно е да се започне од суровините и да се спроведе сеопфатна и систематска студија за различни аморфни јаглероди, а во исто време да се истражат термодинамиката и динамиката на конверзијата на графит на подлабоко ниво.
Овие имаат далекусежно значење за идниот развој на графитната индустрија.
Време на објавување: 10 мај 2021