Grafît di nav grafîta sûnî û grafîta xwezayî de tê dabeş kirin, rezervên îsbatkirî yên grafîta xwezayî ya cîhanê bi qasî 2 mîlyar ton.
Grafîta çêkirî bi hilweşandin û dermankirina germê ya materyalên karbonê di bin zexta normal de tê bidestxistin.Vê veguheztinê wekî hêza ajotinê germahî û enerjiyek têra xwe bilind hewce dike, û strukturên tevlihev dê veguhezînin avahiyek krîstalek grafîtê ya rêzkirî.
Grafîtîzekirin di wateya herî berfireh a materyalê karbonaceous de bi vesazkirina atomên karbonê yên jorîn 2000 ℃ germahiya bilind e, di heman demê de hin materyalên karbonê di germahiya bilind de ji 3000 ℃ grafîtîzekirinê de, ev celeb materyalên karbonê wekî "karbona hişk" dihat zanîn. Materyalên karbonê yên grafîkirî yên hêsan, rêbaza grafîtîkirinê ya kevneşopî rêbaza germahiya bilind û tansiyona bilind, grafîtîkirina katalîtîk, rêbaza depokirina vapora kîmyewî, hwd.
Graphitization amûrek bi bandor a karanîna nirxa lêzêde ya bilind a materyalên karbonaceous e.Piştî lêkolînên berfireh û kûr ên zanyaran, ew di bingeh de êdî gihîştî ye.Lêbelê, hin faktorên nebaş sepana grafîtîkirina kevneşopî di pîşesaziyê de sînordar dikin, ji ber vê yekê ew meylek neçar e ku meriv rêbazên grafîbûnê yên nû vegerîne.
Rêbaza elektrolîza xwêya helandî ji sedsala 19-an vir ve zêdetirî sedsalek pêşkeftinê bû, teoriya wê ya bingehîn û rêbazên nû bi domdarî nûbûn û pêşkeftinê ne, naha êdî bi pîşesaziya kevneşopî ya metalurjîk ve ne sînorkirî ye, di destpêka sedsala 21-an de, metal di pergala xwêya şilandî ya kêmkirina elektrolîtîk a oksîdê zexm a metalên hêmanan bûye mijarek çalaktir,
Di van demên dawî de, rêbazek nû ya ji bo amadekirina materyalên grafîtê bi elektrolîza xwêya şilkirî gelek bal kişandiye ser xwe.
Bi riya polarîzasyona katodîk û elektrodepozisyonê, du celebên cûda yên madeyên xav ên karbonê di nav materyalên nano-grafît ên bi nirxa lêzêdekirî ya bilind de têne veguheztin.Li gorî teknolojiya grafîbûnê ya kevneşopî, rêbaza grafîbûnê ya nû xwedî avantajên germahiya grafîbûnê ya kêmtir û morfolojiya kontrolkirî ye.
Ev gotar pêşkeftina grafîtîkirinê bi rêbaza elektrokîmyayî dinirxîne, vê teknolojiya nû destnîşan dike, avantaj û dezawantajên wê analîz dike, û meyla pêşkeftina wê ya pêşerojê pêşbîn dike.
Pêşîn, rêbaza polarîzasyona katodê elektrolîtîk xwêya şilandî
1.1 madeya xav
Heya nuha, madeya xav a sereke ya grafîta sûnî koka derziyê û koka pisîk a pileya grafîbûnê ya bilind e, nemaze ji hêla bermayiya neftê û kasa komirê ve wekî madeya xav ji bo hilberîna materyalên karbonê yên qalîteya bilind, bi poroziya kêm, sulfur kêm, ax kêm e. naverok û avantajên grafîtîkirinê, piştî amadekirina wê di nav grafît de xwedan berxwedanek baş a bandorê, hêza mekanîkî ya bilind, berxwedana kêm e,
Lêbelê, rezervên kêm ên neftê û guherbarên bihayê neftê pêşveçûna wê sînordar kiriye, ji ber vê yekê lêgerîna madeyên xav ên nû bûye pirsgirêkek bilez ku divê were çareser kirin.
Rêbazên grafîtiyê yên kevneşopî sînor hene, û rêbazên grafîbûnê yên cihêreng madeyên xav ên cihêreng bikar tînin.Ji bo karbona ne-grafîtkirî, rêbazên kevneşopî bi dijwarî dikarin wê grafît bikin, dema ku formula elektrokîmyayî ya elektrolîza xwêya şilandî sînorkirina madeyên xav dişkîne, û hema hema ji bo hemî materyalên karbonê yên kevneşopî maqûl e.
Materyalên karbonê yên kevneşopî karbonê reş, karbona çalakkirî, komir, hwd., ku di nav wan de komir ya herî hêvîdar e.Çêleka bi komirê komirê wekî pêşgir digire û piştî dermankirina pêşîn di germahiya bilind de di nav hilberên grafît de tê amadekirin.
Di van demên dawî de, ev kaxez rêgezek elektrokîmyayî ya nû pêşniyar dike, wek Peng, ji hêla elektrolîza xwêya şilandî ve ne mimkûn e ku karbona reş grafîtîze bike nav krîstalîniya bilind a grafît, elektrolîza nimûneyên grafîtê ku di nav de çîpên nanometer ên grafît ên şeklê petal hene, xwedan qada rûbera taybetî ya bilind e. dema ku ji bo katodê battera lîtiumê tê bikar anîn ji grafîta xwezayî zêdetir performansa elektrokîmyayî ya hêja nîşan da.
Zhu et al.komira kêm-kalîte ya dermankirî bi şilkirinê bixin nav pergala xwêya şilandî ya CaCl2 ji bo elektrolîzê di 950 ℃ de, û komira kêm-kalîteyê bi serfirazî veguhezand grafîtek bi krîstalînîteya bilind, ku dema ku wekî anode ji pîlê lîtium-ion tê bikar anîn performansa rêjeya baş û jiyana çerxa dirêj nîşan da. .
Ezmûn nîşan dide ku gengaz e ku meriv cûreyên cûda yên materyalên karbonê yên kevneşopî veguherîne grafît bi riya elektrolîza xwêya şilkirî, ku rêyek nû ji grafîta sentetîk a pêşerojê re vedike.
1.2 mekanîzmaya
Rêbaza elektrolîza xwêya şilandî maddeya karbonê wekî katod bikar tîne û bi riya polarîzasyona katodî vediguherîne grafîtek bi krîstalîniya bilind.Heya nuha, wêjeya heyî behsa rakirina oksîjenê û vesazkirina dûr-dirêj a atomên karbonê di pêvajoya veguheztina potansiyela polarîzasyona katodî de dike.
Hebûna oksîjenê di materyalên karbonê de dê heya radeyekê grafîtîbûnê asteng bike.Di pêvajoya grafîbûnê ya kevneşopî de, dema ku germahî ji 1600K bilindtir be, oksîjen hêdî hêdî tê rakirin.Lêbelê, ew zehf hêsan e ku meriv bi polarîzasyona katodîk deoksîde bibe.
Peng, û hwd. qalikê grafît, û dûv re qet atomên karbonê yên bêhîdro yên domdar belav nabin li pelika grafît a derve ya stabîltir, heya ku bi tevahî grafît bibin,
Pêvajoya grafîtîkirinê bi rakirina oksîjenê re, ku bi ceribandinan jî tê pejirandin.
Jin et al.jî bi ceribandinan ev nêrîn îspat kir.Piştî karbonîzasyona glukozê, grafîtîkirin (17% naveroka oksîjenê) hate kirin.Piştî grafîtîkirinê, qalên karbonê yên zexm ên orîjînal (Hêl. 1a û 1c) şêlek poroz ku ji nanopelên grafît pêk tê (Hêjî. 1b û 1d) ava kirin.
Bi elektrolîza fîberên karbonê (16% oksîjen), fîberên karbonê piştî grafîtîkirinê li gorî mekanîzmaya veguheztinê ya ku di wêjeyê de tê texmîn kirin dibe ku veguhezînin lûlên grafît.
Bawer kirin ku, tevgera dûr û dirêj di bin polarîzasyona katodî ya atomên karbonê de ye, divê grafîta krîstal a bilind ji nû vesazkirina karbona amorf ve were pêvajo kirin, petalên bêhempa yên grafîta sentetîk nanostrukturên ku ji atomên oksîjenê sûd werdigirin dişoxilînin, lê ka meriv çawa bandorê li avahiya nanometra grafît dike ne diyar e. wek oksîjena ji îskeleta karbonê piştî çawaniya reaksiyona katodê, hwd.,
Heya nuha, lêkolîna li ser mekanîzmayê hîn di qonaxa destpêkê de ye, û lêkolînek bêtir hewce ye.
1.3 Taybetmendiya morfolojîk a grafîta sentetîk
SEM ji bo çavdêrîkirina morfolojiya rûbera mîkroskopî ya grafît tê bikar anîn, TEM ji bo çavdêriya morfolojiya avahîsaziyê ya ji 0.2 μm kêmtir tê bikar anîn, XRD û spektroskopiya Raman awayên herî gelemperî ne ku ji bo taybetmendiya mîkrosaziya grafîtê têne bikar anîn, XRD ji bo taybetmendiya krîstal tê bikar anîn. agahdariya grafît, û spektroskopiya Raman ji bo diyarkirina kêmasiyan û rêza rêza grafît tê bikar anîn.
Di grafîta ku ji hêla polarîzasyona katodê ya elektrolîza xwêya şilandî ve hatî amadekirin de gelek pore hene.Ji bo madeyên xav ên cihêreng, wekî elektrolîza reş a karbonê, nanostrukturên porez ên mîna petal têne wergirtin.Li ser karbonê reş piştî elektrolîzê analîzên XRD û Raman têne kirin.
Li 827 ℃, piştî ku 1h bi voltaja 2.6V tê derman kirin, wêneya spektral a Raman a karbonê reş hema hema wekî ya grafîta bazirganî ye.Piştî ku karbon reş bi germahiyên cihêreng tê derman kirin, lûtkeya taybetmendiya grafît a tûj (002) tê pîvandin.Pîka difraksîyonê (002) asta arastekirina qata karbona aromatîkî ya di grafît de nîşan dide.
Tebeqeya karbonê çi qas tûjtir be, ew qas oriented e.
Zhu di ceribandinê de komira jêrîn a paqijkirî wekî katodê bikar anî, û mîkrosaziya hilbera grafîtê ji strukturek grafîtê ya granular hate veguheztin, û tebeqeya grafîtê ya hişk jî di binê mîkroskopa elektronîkî ya veguheztina rêjeya bilind de hate dîtin.
Di spektrên Raman de, bi guhertina şert û mercên ceribandinê, nirxa ID/Ig jî guherî.Dema ku germahiya elektrolîtîk 950 ℃ bû, dema elektrolîtîk 6h bû, û voltaja elektrolîtîk 2.6V bû, nirxa ID/Ig ya herî kêm 0.3 bû, û lûtkeya D ji lûtkeya G pir kêmtir bû.Di heman demê de, xuyangkirina lûtkeya 2D di heman demê de avakirina avahiyek grafîtê ya pir rêzkirî jî temsîl dike.
Di wêneya XRD de lûtkeya belavbûnê ya tûj (002) di heman demê de veguheztina serketî ya komirê ya jêrîn li grafît bi krîstalbûna bilind piştrast dike.
Di pêvajoya grafîtîkirinê de, zêdebûna germahî û voltajê dê rolek pêşvebirinê bilîze, lê voltaja pir zêde dê hilberîna grafît kêm bike, û germahiya pir zêde an jî dema grafîtîkirinê ya pir dirêj dê bibe sedema windakirina çavkaniyan, ji ber vê yekê ji bo materyalên karbonê yên cihêreng. , bi taybetî girîng e ku meriv şert û mercên elektrolîtîk ên herî guncan bikole, di heman demê de baldarî û dijwarî ye.
Ev nanostruktura felqê ya mîna petal xwedan taybetmendiyên elektrokîmyayî yên hêja ye.Jimareke mezin ya poran dihêle ku îyon zû têxin/teqandin, ji bo bataryayên malzemeyên katodê yên bi kalîte peyda dikin û hwd. Ji ber vê yekê, grafîtîkirina rêbaza elektrokîmyayî rêbazek grafîtîkirinê ya pir potansiyel e.
Methodê elektrodeposîzasyona xwêya şilkirî
2.1 Electrodeposition of carbon dioxide
Wekî gaza serayê ya herî girîng, CO2 di heman demê de çavkaniyek nûvekirî ne-jehrîn, bê zirar, erzan û bi hêsanî peyda dibe.Lêbelê, karbon di CO2 de di rewşa oksîdasyonê ya herî bilind de ye, ji ber vê yekê CO2 xwedan îstîqrara termodnamîk a bilind e, ku ji nû ve karanîna wê dijwar dike.
Lêkolîna herî pêşîn a li ser elektrodeposyona CO2 dikare di salên 1960-an de were şopandin.Ingram et al.Di pergala xwêya şilandî ya Li2CO3-Na2CO3-K2CO3 de karbonê bi serfirazî li ser elektrodê zêr amade kir.
Van et al.bal kişand ku tozên karbonê yên ku di potansiyelên kêmkirinê yên cihêreng de têne wergirtin xwediyê strukturên cihê ne, di nav de grafît, karbona amorf û nanofiberên karbonê.
Ji hêla xwêya şilandî ve ji bo girtina CO2 û awayê amadekirina serkeftina materyalê karbonê, piştî demek dirêj a lêkolînê, zanyar bal kişandin ser mekanîzmaya damezrandina depokirina karbonê û bandora şert û mercên elektrolîzê li ser hilbera dawîn, ku tê de germahiya elektrolîtîk, voltaja elektrolîtîk û pêkhatina xwêya şilandî û elektrod, hwd., Amadekirina performansa bilind a materyalên grafîtê ji bo elektrodepokirina CO2 bingehek zexm daniye.
Bi guheztina elektrolîtê û bi karanîna pergala xwêya şilandî ya li ser bingeha CaCl2 bi karbidestiya girtina CO2 ya bilindtir, Hu et al.Bi lêkolîna şert û mercên elektrolîtîk ên wekî germahiya elektrolîzê, pêkhatina elektrodê û pêkhatina xwêya şilandî, grafen bi dereceya grafîtîbûnê ya bilind û nanotubeyên karbonê û strukturên din ên nanografîtê bi serfirazî amade kir.
Li gorî pergala karbonatê, CaCl2 xwedan avantajên erzan û hêsan ên bidestxistinê, gihandina bilind, di nav avê de hêsan tê hilweşandin, û helbûna zêde ya îyonên oksîjenê ye, ku şert û mercên teorîkî ji bo veguheztina CO2 li hilberên grafît bi nirxa lêzêdekirî ya bilind peyda dike.
2.2 Mekanîzmaya Veguherînê
Amadekirina materyalên karbonê yên bi nirxa lêzêdekirî ya bilind bi elektrodepokirina CO2 ji xwêya şilandî bi giranî girtina CO2 û kêmkirina nerasterast pêk tîne.Girtina CO2 bi O2-a belaş a di xwêya şilandî de, wekî ku di Hevkêşana (1) de tê xuyang kirin, temam dibe:
CO2+O2-→CO3 2- (1)
Heya nuha, sê mekanîzmayên reaksiyona kêmkirina nerasterast hatine pêşniyar kirin: reaksiyona yek-gavekî, reaksiyona du-gav û mekanîzmaya reaksiyona kêmkirina metalê.
Mekanîzmaya reaksiyonê ya yek-gavekî yekem car ji hêla Ingram ve hate pêşniyar kirin, wekî ku di Hevkêşana (2) de tê xuyang kirin:
CO3 2-+ 4E – →C+3O2- (2)
Mekanîzmaya reaksiyonê ya du-gavekî ji hêla Borucka et al. ve hate pêşniyar kirin, wekî ku di Hevkêşana (3-4) de tê xuyang kirin:
CO3 2-+ 2E – →CO2 2-+O2- (3)
CO2 2-+ 2E – →C+2O2- (4)
Mekanîzmaya reaksiyona kêmkirina metalê ji hêla Deanhardt et al ve hate pêşniyar kirin.Wan bawer kir ku îyonên metal pêşî di katodê de ji metalê re hate kêm kirin, û dûv re jî metal ji îyonên karbonat re hate kêm kirin, wekî ku di Hevkêşana (5~6) de tê xuyang kirin:
M- + E – →M (5)
4 m + M2CO3 – > C + 3 m2o (6)
Heya nuha, mekanîzmaya reaksiyonê ya yek-gavekî bi gelemperî di wêjeya heyî de tê pejirandin.
Yin et al.pergala karbonat a Li-Na-K bi nîkel wekî katod, dîoksîta tin wekî anod û têla zîv wekî elektrodê referansê lêkolîn kir, û jimareya testa voltametriya çerxîkî ya di Figure 2 de (rêjeya şopandina 100 mV/s) li katoda nîkelê bi dest xist û dît. ku di şopandina neyînî de tenê lûtkeyek kêmkirinê (li -2.0V) hebû.
Ji ber vê yekê, meriv dikare were encamdan ku di dema kêmkirina karbonatê de tenê reaksiyonek çêbû.
Gao et al.di heman pergala karbonatê de heman voltametrîya dorkî wergirtiye.
Ge et al.Anode û katoda tungstenê ya bêserûber bikar anî da ku CO2-ê di pergala LiCl-Li2CO3 de bigire û wêneyên mîna wan bi dest bixe, û tenê lûtkeyek kêmkirina depokirina karbonê di şopandina neyînî de xuya bû.
Di pergala xwêya şilandî ya metala alkaline de, dema ku karbon ji hêla katodê ve tê razandin, dê metalên alkali û CO werin hilberandin.Lêbelê, ji ber ku şert û mercên termodinamîkî yên reaksiyona dagirtina karbonê di germahiyek kêmtir de kêmtir in, tenê kêmkirina karbonat berbi karbonê di ceribandinê de dikare were tespît kirin.
2.3 Girtina CO2 bi xwêya şilandî ji bo amadekirina hilberên grafît
Nanomaterialên grafîtê yên bi nirx-zêde zêdekirî yên wekî grafene û nanotubeyên karbonê dikarin bi elektrodepokirina CO2 ya ji xwêya şilandî bi kontrolkirina şert û mercên ceribandinê werin amadekirin.Hu et al.polayê zengarnegir wekî katod di pergala xwêya şilandî ya CaCl2-NaCl-CaO de tê bikar anîn û 4 saetan di bin şert û mercên voltaja domdar 2.6V de di germahiyên cûda de elektrolîz kirin.
Bi saya katalîzasyona hesin û bandora teqemenî ya CO di navbera qatên grafît de, grafîn li ser rûyê katodê hate dîtin.Pêvajoya amadekirina grafene di jimar 3 de tê nîşandan.
Wêne
Lêkolînên paşîn Li2SO4 li ser bingeha pergala xwêya şilandî ya CaCl2-NaClCaO zêde kirin, germahiya elektrolîzê bû 625 ℃, piştî 4 saetan ji elektrolîzê, di heman demê de di depokirina katodî ya karbonê de grafene û nanotubeyên karbonê hatin dîtin, lêkolînê dît ku Li+ û SO4 2 - bandorek erênî li ser grafîtiyê bike.
Kevir jî bi serfirazî di laşê karbonê de tête yek kirin, û pelên grafît û karbona filamentous dikare bi kontrolkirina şert û mercên elektrolîtîk ve were bidestxistin.
Materyalên wekî germahiya elektrolîtîk a bilind û nizm ji bo avakirina grafene krîtîk e, dema ku germahiya ji 800 ℃ bilindtir e hêsantir e ku li şûna karbonê CO CO were hilberandin, dema ku ji 950 ℃ bilindtir be hema hema ti depokirina karbonê tune, ji ber vê yekê kontrolkirina germahiyê zehf girîng e. ji bo hilberîna grafen û nanotubeyên karbonê, û vegerandina pêdiviya reaksiyona danasîna karbonê ya reaksiyona CO-yê ku pê ewle bibe ku katod grafene domdar çêbike.
Van xebatan ji bo amadekirina hilberên nano-grafît ji hêla CO2 ve, ku ji bo çareserkirina gazên serayê û amadekirina grafenê xwedî girîngiyek mezin e, rêbazek nû peyda dikin.
3. Xulase û Outlook
Bi pêşkeftina bilez a pîşesaziya nû ya enerjiyê, grafîta xwezayî nekariye hewcedariya heyî bicîh bîne, û grafîta çêkirî ji grafîta xwezayî xwedan taybetmendiyên fizîkî û kîmyewî çêtir e, ji ber vê yekê grafîtkirina erzan, bikêrhatî û jîngehê armancek demdirêj e.
Rêbazên elektrokîmyayî grafîtîkirina di madeyên xav hişk û gazê de bi rêbaza polarîzasyona katodîk û depokirina elektrokîmyayî bi serfirazî ji materyalên grafît ên bi nirxa lêzêdekirî ya zêde derketiye holê, li gorî awayê kevneşopî ya grafîtîkirinê, rêbaza elektrokîmyayî bi karbidestiya bilindtir e, xerckirina enerjiyê kêmtir e. parastina jîngehê kesk, ji bo piçûkên ku di heman demê de ji hêla materyalên bijartî ve têne sînorkirin, li gorî şert û mercên cûda yên elektrolîzê dikare di morfolojiya cihêreng a strukturên grafît de were amadekirin,
Ew ji bo her cûre karbona amorf û gazên serayê ku di nav materyalên grafît ên nano-sazkirî yên hêja de werin veguheztin rêyek bi bandor peyda dike û xwedan perspektîfek serîlêdanê ya baş e.
Niha, ev teknolojî di destpêka xwe de ye.Li ser grafîtîzasyona bi rêbaza elektrokîmyayî çend lêkolîn hene, û hîn jî gelek pêvajoyên ku nayên zanîn hene.Ji ber vê yekê, pêdivî ye ku meriv ji madeyên xav dest pê bike û li ser karbonên cûrbecûr yên amorf lêkolînek berfireh û bi rêkûpêk were kirin, û di heman demê de termodinamîk û dînamîkên veguheztina grafît di astek kûr de were vekolandin.
Vana ji bo pêşkeftina pêşerojê ya pîşesaziya grafît girîngiyek dûr heye.
Dema şandinê: Gulan-10-2021