Grafito estas dividita en artefarita grafito kaj natura grafito, la elprovitaj rezervoj de natura grafito en la mondo en ĉirkaŭ 2 miliardoj da tunoj.
Artefarita grafito estas akirita per putriĝo kaj varmotraktado de karbonenhavaj materialoj sub normala premo.Ĉi tiu transformo postulas sufiĉe altan temperaturon kaj energion kiel la mova forto, kaj la senorda strukturo estos transformita en ordigitan grafitan kristalstrukturon.
Grafitiĝo estas en la plej larĝa senco de la karbona materialo tra super 2000 ℃ alttemperaturo varmotraktado karbonatomoj reordigo, tamen iuj karbonaj materialoj en la alta temperaturo super 3000 ℃ grafitiĝo, ĉi tiu speco de karbono materialoj estis konata kiel la "malmola lignokarbo", ĉar facilaj grafitigitaj karbonaj materialoj, la tradicia grafitiga metodo inkluzivas altan temperaturon kaj altpreman metodon, katalizan grafitigon, kemian vapordeponan metodon ktp.
Grafitigo estas efika rimedo de altvalora utiligo de karbonaj materialoj.Post ampleksa kaj profunda esplorado de akademiuloj, ĝi estas baze matura nun.Tamen, iuj malfavoraj faktoroj limigas la aplikon de tradicia grafitigo en industrio, do estas neevitebla tendenco esplori novajn grafitigajn metodojn.
Fandita salo elektrolizo metodo ekde la 19-a jarcento estis pli ol jarcento de evoluo, ĝia baza teorio kaj novaj metodoj estas konstante novigo kaj evoluo, nun ne plu estas limigita al la tradicia metalurgia industrio, komence de la 21-a jarcento, la metalo en la fandita salo sistemo solida rusto elektroliza redukto preparado de elementaj metaloj fariĝis la fokuso en la pli aktiva,
Lastatempe, nova metodo por prepari grafitajn materialojn per fandita sala elektrolizo altiris multe da atento.
Per katoda polusiĝo kaj elektrodemetado, la du malsamaj formoj de karbonaj krudaĵoj estas transformitaj en nano-grafitajn materialojn kun alta aldonvaloro.Kompare kun la tradicia grafitiga teknologio, la nova grafitiga metodo havas la avantaĝojn de pli malalta grafitiga temperaturo kaj regebla morfologio.
Ĉi tiu artikolo revizias la progreson de grafitigo per elektrokemia metodo, enkondukas ĉi tiun novan teknologion, analizas ĝiajn avantaĝojn kaj malavantaĝojn kaj perspektivas ĝian estontan evolutendencon.
Unue, fandita salo elektroliza katodo polarizo metodo
1.1 la krudmaterialo
Nuntempe, la ĉefa krudmaterialo de artefarita grafito estas kudrila kolao kaj peĉo-kolao de alta grafitiga grado, nome per la oleo-restaĵo kaj karba gudro kiel krudmaterialo por produkti altkvalitajn karbonajn materialojn, kun malalta poreco, malalta sulfuro, malalta cindro. enhavo kaj avantaĝoj de grafitiĝo, post ĝia preparado en grafito havas bonan reziston al trafo, altan mekanikan forton, malaltan rezistecon,
Tamen limigitaj naftorezervoj kaj ŝanĝiĝantaj naftoprezoj limigis ĝian disvolviĝon, tial serĉi novajn krudaĵojn fariĝis urĝa problemo solvenda.
Tradiciaj grafitigaj metodoj havas limigojn, kaj malsamaj grafitigaj metodoj uzas malsamajn krudaĵojn.Por ne-grafitigita karbono, tradiciaj metodoj apenaŭ povas grafitigi ĝin, dum la elektrokemia formulo de fandita sala elektrolizo trarompas la limigon de krudaĵoj, kaj taŭgas por preskaŭ ĉiuj tradiciaj karbonaj materialoj.
Tradiciaj karbonaj materialoj inkluzivas karbonnigron, aktivigitan karbon, karbon ktp., inter kiuj karbo estas la plej promesplena.La karb-bazita inko prenas karbon kiel la antaŭulon kaj estas preparita en grafitajn produktojn ĉe alta temperaturo post antaŭtraktado.
Lastatempe, ĉi tiu papero proponas novajn elektrokemiajn metodojn, kiel ekzemple Peng, per fandita salo elektrolizo estas neprobabla grafitized karbonigro en la alta kristalinity de grafito, la elektrolizo de grafito specimenoj enhavanta la petalo formo grafito nanometro blatoj, havas altan specifan surfacon, kiam uzata por litia baterio katodo montris bonegan elektrokemian agadon pli ol natura grafito.
Zhu et al.metis la deashing traktitan malaltkvalitan karbon en CaCl2 fanditan salo-sistemon por elektrolizo je 950 ℃, kaj sukcese transformis la malaltkvalitan karbon en grafiton kun alta kristaleco, kiu montris bonan imposton agadon kaj longan ciklan vivon kiam uzata kiel anodo de litiojona baterio. .
La eksperimento montras, ke estas farebla konverti malsamajn specojn de tradiciaj karbonaj materialoj en grafiton per fandita sala elektrolizo, kiu malfermas novan vojon por estonta sinteza grafito.
1.2 la mekanismo de
Fandita sala elektroliza metodo uzas karbonmaterialon kiel katodon kaj transformas ĝin en grafiton kun alta kristaleco per katoda polusiĝo.Nuntempe, ekzistanta literaturo mencias la forigon de oksigeno kaj longdistancan rearanĝon de karbonatomoj en la ebla konverta procezo de katoda polusiĝo.
La ĉeesto de oksigeno en karbonaj materialoj malhelpos grafitigon iagrade.En la tradicia grafitiga procezo, oksigeno estos malrapide forigita kiam la temperaturo estas pli alta ol 1600K.Tamen, estas ege oportune maloksidigi per katoda polusiĝo.
Peng, ktp en la eksperimentoj por la unua fojo prezentis la fanditan salo elektrolizo katoda polarizo potencialo mekanismo, nome la grafitization plej la loko por komenci estas situi en solida karbono mikrosferoj/elektrolita interfaco, unua karbona mikrosfera formo ĉirkaŭ baza sama diametro grafita ŝelo, kaj tiam neniam stabilaj anhidraj karbonaj karbonatomoj disvastiĝas al pli stabila ekstera grafita floko, ĝis tute grafitiĝis,
La grafitiga procezo estas akompanata de la forigo de oksigeno, kio ankaŭ estas konfirmita per eksperimentoj.
Jin et al.ankaŭ pruvis ĉi tiun vidpunkton per eksperimentoj.Post karboniĝo de glukozo, grafitiĝo (17% oksigenenhavo) estis efektivigita.Post grafitiĝo, la originaj solidaj karbonaj sferoj (Fig. 1a kaj 1c) formis poran ŝelon kunmetitan de grafitaj nanotukoj (Fig. 1b kaj 1d).
Per elektrolizo de karbonfibroj (16% oksigeno), la karbonfibroj povas esti konvertitaj en grafittubojn post grafitiĝo laŭ la konverta mekanismo konjektita en la literaturo.
Kredis ke, la longdistanca movado estas sub katoda polarizo de karbono atomoj la alta kristalo grafito al amorfa karbono rearanĝi devas procesi, sinteza grafito unikaj petaloj formo nanostrukturoj profitis de oksigeno atomoj de, sed la specifa kiel influi grafito nanometro strukturo ne estas klara, kiel ekzemple oksigeno de karbonskeleto post kiel ĉe la katoda reago, ktp.,
Nuntempe la esploro pri la mekanismo estas ankoraŭ en la komenca etapo, kaj necesas plua esplorado.
1.3 Morfologia karakterizado de sinteza grafito
SEM estas uzata por observi la mikroskopan surfacmorfologion de grafito, TEM estas uzata por observi la strukturan morfologion de malpli ol 0,2 μm, XRD kaj Raman-spektroskopio estas la plej ofte uzataj rimedoj por karakterizi la mikrostrukturon de grafito, XRD estas uzata por karakterizi la kristalon. informoj de grafito, kaj Raman-spektroskopio estas uzata por karakterizi la difektojn kaj ordigi gradon de grafito.
Estas multaj poroj en la grafito preparita per katoda polusiĝo de fandita sala elektrolizo.Por malsamaj krudaĵoj, kiel karbonigra elektrolizo, petal-similaj poraj nanostrukturoj estas akiritaj.XRD kaj Raman-spektranalizo estas aranĝitaj sur la karbonigro post elektrolizo.
Je 827 ℃, post esti traktita kun 2.6V tensio dum 1 h, la Raman-spektra bildo de karbonigro estas preskaŭ la sama kiel tiu de komerca grafito.Post kiam la karbonigro estas traktita kun malsamaj temperaturoj, la akra grafita karakteriza pinto (002) estas mezurita.La difraktopinto (002) reprezentas la gradon de orientiĝo de la aroma karbona tavolo en grafito.
Ju pli akra estas la karbona tavolo, des pli orientita ĝi estas.
Zhu uzis la purigitan malsuperan karbon kiel la katodon en la eksperimento, kaj la mikrostrukturo de la grafitigita produkto estis transformita de grajneca al granda grafita strukturo, kaj la malloza grafita tavolo ankaŭ estis observita sub la altrapida dissenda elektrona mikroskopo.
En Raman-spektroj, kun la ŝanĝo de eksperimentaj kondiĉoj, la ID/Ig-valoro ankaŭ ŝanĝiĝis.Kiam la elektroliza temperaturo estis 950 ℃, la elektroliza tempo estis 6h, kaj la elektroliza tensio estis 2.6V, la plej malalta ID/Ig-valoro estis 0.3, kaj la D-pinto estis multe pli malalta ol la G-pinto.Samtempe, la aspekto de 2D-pinto ankaŭ reprezentis la formadon de tre ordigita grafita strukturo.
La akra (002) difraktopinto en la XRD-bildo ankaŭ konfirmas la sukcesan konvertiĝon de malsupera karbo en grafiton kun alta kristaleco.
En la procezo de grafitiĝo, la pliiĝo de temperaturo kaj tensio ludos promocian rolon, sed tro alta tensio reduktos la rendimenton de grafito, kaj tro alta temperaturo aŭ tro longa tempo de grafitiĝo kondukos al malŝparo de rimedoj, do por malsamaj karbonaj materialoj. , estas aparte grave esplori la plej taŭgajn elektrolizajn kondiĉojn, estas ankaŭ la fokuso kaj malfacilaĵo.
Ĉi tiu petal-simila floka nanostrukturo havas bonegajn elektrokemiajn trajtojn.Granda nombro da poroj permesas al jonoj esti rapide enigitaj/deembedded, provizante altkvalitajn katodmaterialojn por baterioj, ktp. Tial, la elektrokemia metodo grafitiĝo estas tre ebla grafitigmetodo.
Metodo de elektrodemetado de fandita salo
2.1 Elektrodemetado de karbondioksido
Kiel la plej grava forceja gaso, CO2 ankaŭ estas netoksa, sendanĝera, malmultekosta kaj facile havebla renovigebla rimedo.Tamen, karbono en CO2 estas en la plej alta oksidiĝa stato, do CO2 havas altan termodinamikan stabilecon, kio malfaciligas reuzi.
La plej frua esplorado pri elektrodemetado de CO2 povas esti spurita reen al la 1960-aj jaroj.Ingram et al.sukcese preparis karbonon sur ora elektrodo en la fandita sala sistemo de Li2CO3-Na2CO3-K2CO3.
Van et al.atentigis, ke la karbonpulvoroj akiritaj ĉe malsamaj reduktaj potencialoj havis malsamajn strukturojn, inkluzive de grafito, amorfa karbono kaj karbonaj nanofibroj.
Per fandita salo por kapti CO2 kaj preparmetodo de karbona materialo sukceso, post longa periodo de esploro akademiuloj koncentriĝis pri karbona deponaĵo formado mekanismo kaj la efiko de elektrolizo kondiĉoj sur la fina produkto, kiuj inkluzivas elektroliza temperaturo, elektroliza tensio kaj la komponado de fandita salo kaj elektrodoj, ktp, la preparado de alta rendimento de grafitaj materialoj por elektrodemetado de CO2 metis solidan fundamenton.
Ŝanĝante la elektroliton kaj uzante CaCl2-bazita fandita salo sistemo kun pli alta CO2 kapta efikeco, Hu et al.sukcese preparis grafenon kun pli alta grafitiga grado kaj karbonajn nanotubojn kaj aliajn nanografitajn strukturojn per studado de elektrolizaj kondiĉoj kiel elektrolizotemperaturo, elektrodo-konsisto kaj fandita salo-konsisto.
Kompare kun karbonata sistemo, CaCl2 havas la avantaĝojn de malmultekosta kaj facile akirebla, alta kondukteco, facile solvebla en akvo, kaj pli alta solvebleco de oksigenaj jonoj, kiuj disponigas teoriajn kondiĉojn por la konvertiĝo de CO2 en grafitajn produktojn kun alta aldonvaloro.
2.2 Transforma Mekanismo
La preparado de altvaloraj karbonaj materialoj per elektrodemetado de CO2 el fandita salo ĉefe inkluzivas CO2-kapton kaj nerektan redukton.La kapto de CO2 estas kompletigita per libera O2- en fandita salo, kiel montrite en Ekvacio (1):
CO2+O2-→CO3 2- (1)
Nuntempe oni proponis tri nerektajn reduktajn reagmekanismojn: unupaŝa reago, dupaŝa reago kaj metalredukta reagmekanismo.
La unupaŝa reagmekanismo unue estis proponita fare de Ingram, kiel montrite en Ekvacio (2):
CO3 2-+ 4E – →C+3O2- (2)
La du-ŝtupa reagmekanismo estis proponita fare de Borucka et al., kiel montrite en Ekvacio (3-4):
CO3 2-+ 2E – →CO2 2-+O2- (3)
CO2 2-+ 2E – →C+2O2- (4)
La mekanismo de metalredukta reago estis proponita de Deanhardt et al.Ili kredis ke metalaj jonoj unue estis reduktitaj al metalo en katodo, kaj tiam la metalo estis reduktita al karbonatjonoj, kiel montrite en Ekvacio (5~6):
M- + E – →M (5)
4 m + M2CO3 – > C + 3 m2o (6)
Nuntempe, la unupaŝa reagmekanismo estas ĝenerale akceptita en la ekzistanta literaturo.
Yin et al.studis la Li-Na-K-karbonatsistemon kun nikelo kiel katodo, stana dioksido kiel anodo kaj arĝenta drato kiel referenca elektrodo, kaj akiris la ciklan voltametrian testfiguron en Figuro 2 (skanado de 100 mV/s) ĉe nikelkatodo, kaj trovis ke ekzistis nur unu reduktopinto (je -2.0V) en la negativa skanado.
Tial oni povas konkludi, ke nur unu reago okazis dum la redukto de karbonato.
Gao et al.akiris la saman ciklan voltametrion en la sama karbonatsistemo.
Ge et al.uzis inertan anodon kaj volframan katodon por kapti CO2 en la sistemo LiCl-Li2CO3 kaj akiris similajn bildojn, kaj nur redukta pinto de karbondemetado aperis en la negativa skanado.
En la alkala metala fandita salsistemo, alkalaj metaloj kaj CO estos generitaj dum karbono estas deponita per la katodo.Tamen, ĉar la termodinamikaj kondiĉoj de karbondemetreago estas pli malaltaj ĉe pli malalta temperaturo, nur la redukto de karbonato al karbono povas esti detektita en la eksperimento.
2.3 CO2-kapto per fandita salo por prepari grafitajn produktojn
Altvaloraj aldonitaj grafitaj nanomaterialoj kiel grafeno kaj karbonaj nanotuboj povas esti preparitaj per elektrodemetado de CO2 el fandita salo kontrolante eksperimentajn kondiĉojn.Hu et al.uzis rustorezistan ŝtalon kiel katodon en la CaCl2-NaCl-CaO fandita sala sistemo kaj elektrolizita dum 4h sub la kondiĉo de 2.6V konstanta tensio ĉe malsamaj temperaturoj.
Danke al la katalizo de fero kaj la eksplodema efiko de CO inter grafitaj tavoloj, grafeno estis trovita sur la surfaco de katodo.La prepara procezo de grafeno estas montrita en Fig. 3.
La bildo
Postaj studoj aldonis Li2SO4 surbaze de CaCl2-NaClCaO fandita salo sistemo, elektrolizo temperaturo estis 625 ℃, post 4h de elektrolizo, samtempe en la katoda demetaĵo de karbono trovita grafeno kaj karbono nanotuboj, la studo trovis ke Li+ kaj SO4 2 - alporti pozitivan efikon al grafitiĝo.
Sulfuro ankaŭ estas sukcese integrita en la karbonkorpon, kaj ultra-maldikaj grafitaj folioj kaj filamentoza karbono povas esti akiritaj per kontrolado de la elektrolizaj kondiĉoj.
Materialo kiel elektroliza temperaturo de alta kaj malalta por la formado de grafeno estas kritika, kiam la temperaturo pli alta ol 800 ℃ estas pli facile generi CO anstataŭ karbono, preskaŭ neniu karbona demetaĵo kiam pli alta ol 950 ℃, do la temperaturo kontrolo estas ege grava. produkti grafeno kaj karbono nanotuboj, kaj restarigi la bezono karbono deponejo reago CO reago sinergio por certigi ke la katodo por generi stabila grafeno.
Ĉi tiuj verkoj disponigas novan metodon por la preparado de nano-grafitaj produktoj per CO2, kiu estas de granda signifo por la solvado de forcej-efikaj gasoj kaj preparado de grafeno.
3. Resumo kaj Perspektivo
Kun la rapida disvolviĝo de nova energia industrio, natura grafito ne povis kontentigi la nunan postulon, kaj artefarita grafito havas pli bonajn fizikajn kaj kemiajn ecojn ol natura grafito, do malmultekosta, efika kaj ekologiema grafito estas longdaŭra celo.
Elektrokemiaj metodoj grafitiĝo en solidaj kaj gasaj krudmaterialoj kun la metodo de katoda polusiĝo kaj elektrokemia deponaĵo estis sukcese el la grafitaj materialoj kun alta aldonita valoro, kompare kun la tradicia maniero de grafitiĝo, la elektrokemia metodo estas de pli alta efikeco, pli malalta energikonsumo, verda mediprotekto, por malgrandaj limigitaj de selektemaj materialoj samtempe, laŭ la malsamaj elektrolizaj kondiĉoj povas esti preparitaj ĉe malsama morfologio de grafita strukturo,
Ĝi provizas efikan manieron por ke ĉiuj specoj de amorfa karbono kaj forcej-efikaj gasoj estu konvertitaj en valorajn nano-strukturitajn grafitajn materialojn kaj havas bonan aplikan perspektivon.
Nuntempe, ĉi tiu teknologio estas en sia infanaĝo.Ekzistas malmultaj studoj pri grafitigo per elektrokemia metodo, kaj ekzistas daŭre multaj nekoneblaj procezoj.Tial necesas komenci de krudmaterialoj kaj fari ampleksan kaj sisteman studon pri diversaj amorfaj karbonoj, kaj samtempe esplori la termodinamikon kaj dinamikon de grafita konvertiĝo en pli profunda nivelo.
Ĉi tiuj havas ampleksan signifon por la estonta evoluo de grafita industrio.
Afiŝtempo: majo-10-2021