Графитот е поделен на вештачки графит и природен графит, докажани светски резерви на природен графит во 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 нарушената структура ќе се трансформира во подредена графитна кристална структура.
Графитизацијата е во најширока смисла на јаглеродниот материјал преку преуредување на јаглеродните атоми со термичка обработка над 2000 ℃, но некои јаглеродни материјали при висока температура над 3000 ℃ графитизација, овој вид јаглеродни материјали бил 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 користење на јаглеродните материјали со висока додадена вредност. По опширно и длабинско истражување од страна на научниците, таа во основа е зрела сега. 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 беше повеќе од еден век развој, неговата основна теорија и новите методи се постојано иновации и развој, сега веќе не е ограничена на традиционалната металуршка индустрија, на почетокот на 21 век, металот во Системот на растопена сол со цврст оксид за електролитичко намалување на подготовката на елементарните метали станаа фокус во поактивни,
Неодамна, нов метод за подготовка на графитни материјали со електролиза на стопена сол привлече големо внимание.
Со помош на катодна поларизација и електроталожење, 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 ги има предностите на пониска температура на графитизација и контролирана морфологија.
Овој труд го разгледува напредокот на графитизацијата со електрохемиски метод, ја воведува оваа нова технологија, ги анализира нејзините предности и недостатоци и изгледите за нејзиниот иден развојен тренд.
Прво, методот на поларизација на електролитичката катода на стопена сол
1.1 суровина
Во моментов, главната суровина на вештачкиот графит е игла кокс и пит кокс со висок степен на графитизација, имено од остатоците од масло и катран од јаглен како суровина за производство на висококвалитетни јаглеродни материјали, со ниска порозност, низок сулфур, низок пепел. содржината и предностите на графитизацијата, по неговата подготовка во графит има добра отпорност на удар, висока механичка сила, ниска отпорност,
Сепак, ограничените резерви на нафта и флуктуирачките цени на нафтата го ограничија нејзиниот развој, па 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 го пробива ограничувањето на суровините и е погодна за речиси сите традиционални јаглеродни материјали.
Традиционалните јаглеродни материјали вклучуваат саѓи, активен јаглен, јаглен итн., меѓу кои најперспективниот е јагленот. Мастилото засновано на јаглен го зема јагленот како претходник и се подготвува во производи од графит на висока температура по претходна обработка.
Неодамна, овој труд предлага нови електрохемиски методи, како што е Пенг, со електролиза на стопена сол веројатно нема да се графитизира саѓи во високата кристалинност на графитот, електролизата на графитните примероци кои содржат графитни нанометарски чипови со облик на ливчиња, има висока специфична површина. кога се користи за литиумска батерија катодата покажа одлични електрохемиски перформанси повеќе од природниот графит.
Жу и сор. Ставете го обработениот нискоквалитетен јаглен во системот за стопена сол CaCl2 за електролиза на 950 ℃ и успешно го трансформираше јагленот со низок квалитет во графит со висока кристалинност, кој покажа добра брзина и долг животен век кога се користи како анодна на литиум-јонска батерија .
Експериментот покажува дека е изводливо да се претворат различни видови традиционални јаглеродни материјали во графит со помош на електролиза на стопена сол, што отвора нов пат за идниот синтетички графит.
1.2 механизмот на
Методот на електролиза на стопена сол користи јаглероден материјал како катода и го претвора во графит со висока кристалинност со помош на катодна поларизација. Во моментов, постоечката литература го споменува отстранувањето на кислородот и преуредувањето на атомите на јаглерод на долги растојанија во потенцијалниот процес на конверзија на катодната поларизација.
Присуството на кислород во јаглеродните материјали до одреден степен ќе ја попречи графитизацијата. Во традиционалниот процес на графитизација, кислородот полека ќе се отстранува кога температурата е повисока од 1600 K. Сепак, исклучително е погодно да се деоксидира преку катодна поларизација.
Пенг, итн. во експериментите за прв пат го поставија механизмот за катодна поларизација на електролиза на стопена сол, имено графитизацијата што најмногу треба да се започне е да се наоѓа во цврсти јаглеродни микросфери/интерфејс на електролит, првата јаглеродна микросфера се формира околу основен ист дијаметар графитна обвивка, а потоа никогаш стабилните јаглеродни атоми на безводен јаглерод се шират на постабилна надворешна графитна лушпа, додека целосно не се графитизираат,
Процесот на графитизација е придружен со отстранување на кислород, што е потврдено и со експерименти.
Џин и сор. ова гледиште го докажа и преку експерименти. По карбонизацијата на гликозата, беше извршена графитизација (содржина на кислород 17%). По графитизацијата, оригиналните цврсти јаглеродни сфери (сл. 1а и 1в) формираа порозна обвивка составена од графитни нанолистови (сл. 1б и 1г).
Со електролиза на јаглеродни влакна (16% кислород), јаглеродните влакна може да се претворат во графитни цевки по графитизацијата според механизмот на конверзија шпекулиран во литературата
Се веруваше дека движењето на долги растојанија е под катодна поларизација на јаглеродните атоми што мора да го обработи висококристалниот графит до аморфниот јаглерод преуредување, синтетички графит уникатни ливчиња обликуваат наноструктури користени од атоми на кислород, но специфичното како да се влијае на графитната нанометарска структура не е јасно. како што е кислородот од јаглеродниот скелет после како при катодната реакција итн.,
Во моментов, истражувањето на механизмот е сè уште во почетна фаза и потребни се дополнителни истражувања.
1.3 Морфолошка карактеризација на синтетички графит
SEM се користи за набљудување на микроскопската морфологија на површината на графитот, TEM се користи за набљудување на структурната морфологија помала од 0,2 μm, XRD и Раман спектроскопијата се најчесто користените средства за карактеризирање на микроструктурата на графитот, XRD се користи за карактеризирање на кристалот информации за графит, а Раман спектроскопија се користи за да се карактеризираат дефектите и степенот на редослед на графитот.
Има многу пори во графитот подготвен со катодна поларизација на електролиза на стопена сол. За различни суровини, како што е саѓи електролизата, се добиваат порозни наноструктури слични на ливчиња. XRD и Раман анализа на спектарот се вршат на саѓи по електролиза.
На 827 ℃, откако се третира со напон од 2,6 V за 1 час, спектралната слика на Раман на саѓи е речиси иста како онаа на комерцијалниот графит. Откако саѓи се третира со различни температури, се мери остриот графит карактеристичен врв (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 користеше прочистениот долен јаглен како катода во експериментот, а микроструктурата на графитизираниот производ беше трансформирана од грануларна во голема графитна структура, а тесниот графитен слој беше забележан и под електронскиот микроскоп со висока стапка на пренос.
Во Рамановите спектри, со промената на експерименталните услови, вредноста на ID/Ig исто така се промени. Кога електролитичката температура беше 950 ℃, електролитичкото време беше 6 часа, а електролитичкиот напон беше 2,6 V, најниската вредност ID/Ig беше 0,3, а врвот D беше многу помал од врвот G. Во исто време, појавата на 2D врв, исто така, претставуваше формирање на високо уредена графитна структура.
Остриот (002) врв на дифракција на сликата XRD, исто така, ја потврдува успешната конверзија на инфериорниот јаглен во графит со висока кристалинност.
Во процесот на графитизација, зголемувањето на температурата и напонот ќе игра промовирачка улога, но превисокиот напон ќе го намали приносот на графит, а превисоката температура или предолгото време на графитизација ќе доведе до губење на ресурси, така што за различни јаглеродни материјали , особено е важно да се истражат најсоодветните електролитски услови, исто така е фокусот и тешкотијата.
Оваа наноструктура на снегулки слична на ливчиња има одлични електрохемиски својства. Голем број на пори овозможуваат брзо вметнување/вградување на јони, обезбедувајќи висококвалитетни катодни материјали за батерии итн. Затоа, графитизацијата со електрохемискиот метод е многу потенцијален метод на графитизација.
Метод на електродепозиција на 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 состојба на оксидација, така што CO2 има висока термодинамичка стабилност, што ја отежнува повторната употреба.
Најраните истражувања за електродепозиција на CO2 може да се проследат уште во 1960-тите. Инграм и сор. успешно подготвен јаглерод на златна електрода во системот на растопена сол на Li2CO3-Na2CO3-K2CO3.
Ван и сор. истакна дека јаглеродните прашоци добиени при различни потенцијали за редукција имаат различни структури, вклучувајќи графит, аморфен јаглерод и јаглеродни нановлакна.
Со стопената сол за зафаќање на CO2 и методот на подготовка на јаглеродниот материјал успех, по долг период на истражување, научниците се фокусираа на механизмот за формирање на таложење на јаглерод и ефектот на условите за електролиза на финалниот производ, кои вклучуваат електролитичка температура, електролитски напон и составот на стопена сол и електроди итн., подготовката на графитни материјали со високи перформанси за електроталожење на CO2 постави цврста основа.
Со промена на електролитот и користење на систем за стопена сол базиран на CaCl2 со поголема ефикасност на зафаќање на CO2, Hu et al. успешно подготвен графен со повисок степен на графитизација и јаглеродни наноцевки и други нанографитни структури со проучување на електролитски услови како што се температурата на електролиза, составот на електродата и составот на стопената сол.
Во споредба со карбонатниот систем, CaCl2 ги има предностите на евтин и лесен за добивање, висока спроводливост, лесен за растворање во вода и поголема растворливост на кислородните јони, кои обезбедуваат теоретски услови за конверзија на CO2 во графитни производи со висока додадена вредност.
2.2 Механизам за трансформација
Подготовката на јаглеродни материјали со висока додадена вредност со електроталожење на CO2 од стопена сол главно вклучува апсење на CO2 и индиректно намалување. Зафаќањето на CO2 е завршено со слободен O2- во стопена сол, како што е прикажано во Равенката (1):
CO2+O2-→CO3 2- (1)
Во моментов, предложени се три механизми за индиректна реакција на редукција: реакција во еден чекор, реакција во два чекора и механизам за реакција на редукција на метал.
Механизмот за реакција во еден чекор беше првпат предложен од Инграм, како што е прикажано во Равенката (2):
CO3 2-+ 4E – →C+3O2- (2)
Механизмот на реакција во два чекора беше предложен од Боручка 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 реакција на редукција на метал беше предложен од Deanhardt et al. Тие веруваа дека металните јони најпрво се редуцирани на метал во катодата, а потоа металот се сведува на карбонатни јони, како што е прикажано во Равенката (5~6):
M- + E – →M (5)
4 m + M2CO3 – > C + 3 m2o (6)
Во моментов, механизмот за реакција во еден чекор е општо прифатен во постоечката литература.
Јин и сор. го проучувал карбонатниот систем Li-Na-K со никел како катода, калај диоксид како анода и сребрена жица како референтна електрода и ја добил сликата за тестирање на циклична волтаметрија на Слика 2 (брзина на скенирање од 100 mV/s) на никел катода и открил дека има само еден пик на намалување (на -2,0 V) во негативното скенирање.
Според тоа, може да се заклучи дека само една реакција настанала при редукцијата на карбонатот.
Гао и сор. ја добиле истата циклична волтаметрија во истиот карбонат систем.
Ге и сор. користеше инертна анода и волфрамска катода за фаќање на CO2 во системот LiCl-Li2CO3 и доби слични слики, а при негативното скенирање се појави само редуциран врв на таложење на јаглерод.
Во системот на стопена сол на алкален метал, алкалните метали и CO ќе се генерираат додека јаглеродот се депонира од катодата. Меѓутоа, бидејќи термодинамичките услови на реакцијата на таложење на јаглерод се пониски при пониска температура, во експериментот може да се открие само редукцијата на карбонат во јаглерод.
2.3 Зафаќање на CO2 со стопена сол за подготовка на производи од графит
Графитните наноматеријали со висока додадена вредност, како што се графен и јаглеродни наноцевки, може да се подготват со електродепозиција на CO2 од стопена сол со контролирање на експериментални услови. Ху и сор. користен нерѓосувачки челик како катода во системот за стопена сол CaCl2-NaCl-CaO и електролизиран 4 часа под услов на константен напон од 2,6V на различни температури.
Благодарение на катализата на железото и експлозивниот ефект на CO помеѓу графитните слоеви, графенот беше пронајден на површината на катодата. Процесот на подготовка на графен е прикажан на слика 3.
Сликата
Подоцнежните студии додадоа Li2SO4 врз основа на системот за стопена сол CaCl2-NaClCaO, температурата на електролизата беше 625 ℃, по 4 часа електролиза, во исто време во катодното таложење на јаглеродот пронајде графен и јаглеродни наноцевки, студијата покажа дека Li+ и SO4 2 - да донесе позитивен ефект врз графитизацијата.
Сулфурот исто така успешно се интегрира во карбонското тело, а ултра тенки графитни листови и филаментозен јаглерод може да се добијат со контролирање на електролитичките услови.
Материјалот како што е високата и ниската електролитска температура за формирање на графен е критичен, кога температурата повисока од 800 ℃ е полесно да се генерира CO наместо јаглерод, речиси и да нема таложење на јаглерод кога е повисока од 950 ℃, така што контролата на температурата е исклучително важна да се произведуваат графен и јаглеродни наноцевки, и да се врати потребата реакција таложење на јаглерод CO реакција синергија за да се осигура дека катодата да генерира стабилен графен.
Овие работи даваат 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 Outlook
Со брзиот развој на новата енергетска индустрија, природниот графит не можеше да ја задоволи моменталната побарувачка, а вештачкиот графит има подобри физички и хемиски својства од природниот графит, така што евтината, ефикасна и еколошка графитизација е долгорочна цел.
Електрохемиски методи Графитизацијата во цврсти и гасовити суровини со методот на катодна поларизација и електрохемиско таложење беше успешно надвор 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 за електролиза може да се подготви на различна морфологија на структурата на графитот,
Обезбедува ефикасен начин за сите видови аморфни јаглерод и стакленички гасови да се претворат во вредни нано-структурирани графитни материјали и има добра можност за примена.
Во моментов, оваа технологија е во повој. Има малку студии за графитизација со електрохемиски метод, а сè уште има многу непознати процеси. Затоа, неопходно е да се тргне од суровините и да се спроведе сеопфатна и систематска студија за различни аморфни јаглероди, а во исто време да се истражи термодинамиката и динамиката на конверзија на графит на подлабоко ниво.
Тие имаат далекусежно значење за идниот развој на индустријата за графит.
Време на објавување: мај-10-2021 година