Графит ба графити сунъӣ ва графити табиӣ тақсим карда мешавад, ки захираи графити табиӣ дар ҷаҳон тақрибан 2 миллиард тоннаро ташкил медиҳад.
Графити сунъй бо рохи пух-тан ва коркарди гармии материалхои карбондор дар зери фишори мукаррарй ба даст оварда мешавад.Ин табдилдиҳӣ ҳамчун қувваи пешбаранда ҳарорати кофӣ ва энергияи баландро талаб мекунад ва сохтори бетартиб ба сохтори булӯрии графитӣ мубаддал мешавад.
Графитизатсия ба маънои васеътарини маводи карбонӣ тавассути азнавташкилдиҳии атомҳои карбон дар ҳарорати баланд дар ҳарорати баландтар аз 2000 ℃ аст, аммо баъзе маводи карбон дар ҳарорати баланд аз 3000 ℃ графитизатсия, ин намуди маводи карбон ҳамчун "ангиштсанг" маъруф буданд. маводи карбон осон графитизатсия, усули анъанавии графитизатсия усули ҳарорати баланд ва фишори баланд, графитизатсияи каталитикӣ, усули таҳшинсозии буғи химиявӣ ва ғайраро дар бар мегирад.
Графитизатсия воситаи самараноки истифодаи арзиши иловагии маводи карбондор мебошад.Пас аз таҳқиқоти васеъ ва амиқи олимон, он ҳоло асосан пухта шудааст.Бо вуҷуди ин, баъзе омилҳои номусоид татбиқи графитизатсияи анъанавиро дар саноат маҳдуд мекунанд, бинобар ин, тамоюли ногузир омӯхтани усулҳои нави графитизатсия мебошад.
Усули электролизи намаки гудохта аз асри 19 беш аз як садсолаи рушд буд, назарияи асосӣ ва усулҳои нави он пайваста навоварӣ ва рушд мебошанд, ҳоло дигар бо саноати анъанавии металлургӣ маҳдуд намешавад, дар ибтидои асри 21, металл дар системаи намаки гудохта оксиди сахти электролитикии редуксионии тайёркунии металлҳои элементарӣ дар маркази фаъолтар қарор гирифтанд,
Дар вактхои охир усули нави тайёр кардани материалхои графитй бо рохи электролизи намаки гудохта диккати калонро ба худ чалб кард.
Бо ёрии поляризатсияи катодӣ ва электродепозитсия, ду шакли гуногуни ашёи хоми карбон ба маводи нано-графитӣ бо арзиши иловагии баланд табдил меёбанд.Дар муқоиса бо технологияи анъанавии графитизатсия, усули нави графитизатсия бартариҳои ҳарорати пасти графитизатсия ва морфологияи идорашаванда дорад.
Дар ин мақола пешрафти графитизатсия бо усули электрохимиявӣ баррасӣ шуда, ин технологияи нав ҷорӣ карда шуда, афзалиятҳо ва нуқсонҳои он таҳлил карда шуда, тамоюли минбаъдаи рушди он пешбинӣ шудааст.
Аввалан, усули поляризатсияи катодҳои электролитии намаки гудохта
1.1 ашьёи хом
Дар айни замон, ашёи асосии графити сунъӣ кокси сӯзанӣ ва кокси қатрони дараҷаи баланди графитизатсия мебошад, аз ҷумла боқимондаҳои нафт ва қатрони ангишт ҳамчун ашёи хом барои истеҳсоли маводи карбонҳои баландсифат, дорои порозияи паст, сулфури паст, хокистари паст мазмун ва афзалиятҳои графитизатсия пас аз ба графит омода кардани он ба таъсир муқовимати хуб, қувваи баланди механикӣ, муқовимати паст,
Аммо захираҳои маҳдуди нафт ва тағйирёбандаи нархи нафт рушди онро маҳдуд карданд, аз ин рӯ, ҷустуҷӯи ашёи хоми нав ба як масъалаи таъхирнопазир табдил ёфтааст, ки бояд ҳал шавад.
Усулҳои анъанавии графитизатсия маҳдудиятҳо доранд ва усулҳои гуногуни графитизатсия ашёи хоми гуногунро истифода мебаранд.Барои карбонии графитизатсияшуда, усулҳои анъанавӣ базӯр онро графитизатсия карда метавонанд, дар ҳоле ки формулаи электрохимиявии электролизи намаки гудохта тавассути маҳдудияти ашёи хом мегузарад ва барои қариб ҳама маводи анъанавии карбон мувофиқ аст.
Ба маводи анъанавии карбон карбон сиёҳ, карбони фаъолшуда, ангишт ва ғайра дохил мешаванд, ки дар байни онҳо ангишт ояндадортарин аст.Сиёҳи ба ангишт асосёфта ангиштро ҳамчун пешгузашта мегирад ва пас аз коркарди пешакӣ дар ҳарорати баланд ба маҳсулоти графит омода карда мешавад.
Ба наздикӣ, ин коғаз усулҳои нави электрохимиявиро пешниҳод мекунад, ба монанди Пенг, тавассути электролизи намаки гудохта ба эҳтимоли зиёд графитизатсияшудаи карбон сиёҳ ба кристаллии баланди графит, электролизи намунаҳои графити дорои шакли гулбаргҳои микросхемаҳои графити нанометрӣ, дорои масоҳати баланди сатҳи мушаххас, Вақте ки барои катод батареяи литий истифода бурда мешавад, нишондиҳандаҳои аъло электрохимиявӣ бештар аз графит табиӣ нишон дод.
Чжу ва дигарон.ангишти пастсифати коркардшударо ба системаи намаки гудохтаи CaCl2 барои электролиз дар 950 ℃ гузоред ва ангишти пастсифатро ба графит бо кристаллии баланд бомуваффақият табдил дод, ки ҳангоми истифода ҳамчун аноди батареяи литий ион суръати хуб ва мӯҳлати тӯлонии давраро нишон дод. .
Тачриба нишон медихад, ки бо рохи электролизи намаки гудохта ба графит табдил додани навъхои гуногуни материалхои анъанавии карбон имконпазир аст, ки ин барои графити синтетикии оянда рохи нав мекушояд.
1.2 механизми
Усули электролизи намаки гудохта ба сифати катод маводи карбонро истифода бурда, онро ба воситаи поляризатсияи катодӣ ба графит бо кристаллии баланд табдил медиҳад.Дар айни замон, дар адабиёти мавҷуда бартараф кардани оксиген ва ба масофаи дур ҷойгиршавии атомҳои карбон дар раванди табдилдиҳии эҳтимолии поляризатсияи катодӣ зикр шудааст.
Мавҷудияти оксиген дар маводи карбон то андозае ба графитизатсия халал мерасонад.Дар раванди графитизатсияи анъанавӣ, вақте ки ҳарорат аз 1600К баландтар аст, оксиген оҳиста хориҷ карда мешавад.Аммо, тавассути поляризатсияи катодӣ деоксидизатсия хеле қулай аст.
Пенг ва ғайра дар таҷрибаҳо бори аввал механизми поларизатсияи катодикии электролизи намаки гудохтаро пешбарӣ карданд, яъне графитизатсия, ки ҷои аввал барои оғоз кардан дар микросфераҳои сахти карбон/интерфейси электролитҳо ҷойгир аст, аввалин микросфераи карбон дар атрофи як диаметри асосӣ. қабати графитӣ, ва он гоҳ атомҳои карбон карбон ҳеҷ гоҳ устувор ба пораи устувортари берунии графит паҳн мешаванд, то пурра графитизатсия шаванд,
Раванди графитизатсия бо хориҷ кардани оксиген ҳамроҳ мешавад, ки онро таҷрибаҳо низ тасдиқ мекунанд.
Ҷин ва дигарон.ин нуктаи назарро низ тавассути тачрибахо исбот кард.Пас аз карбонизатсияи глюкоза графитизатсия (дар таркиби оксиген 17%) гузаронида шуд.Пас аз графитизатсия сфераҳои аслии карбонҳои сахт (расми 1а ва 1в) як қабати ковокро ташкил доданд, ки аз наносибатҳои графитӣ иборатанд (расми 1б ва 1г).
Бо электролизи нахҳои карбон (16% оксиген), нахҳои карбонро пас аз графитизатсия мувофиқи механизми табдилдиҳии дар адабиёт тахмин кардашуда ба қубурҳои графитӣ табдил додан мумкин аст.
Ба эътиқоди он, ки ҳаракати масофаи дур дар зери поляризатсияи катодикии атомҳои карбон аст, ки графити баланди кристаллӣ ба карбон аморфӣ бояд коркард карда шавад, гулбаргҳои графити синтетикӣ наноструктураи аз атомҳои оксиген баҳра бурданро шакл медиҳанд, аммо мушаххас нест, ки чӣ гуна таъсир расонидан ба сохтори нанометрии графит равшан нест, ба монанди оксиген аз скелети карбон пас аз он ки дар реаксияи катодӣ ва ғ.,
Дар айни замон тадқиқоти механизм дар марҳилаи ибтидоӣ қарор дорад ва таҳқиқоти минбаъда лозим аст.
1.3 Характеристикаи морфологии графити синтетики
SEM барои мушоҳидаи морфологияи сатҳи микроскопии графит истифода мешавад, TEM барои мушоҳидаи морфологияи сохтории камтар аз 0,2 мкм истифода мешавад, XRD ва спектроскопияи Раман воситаҳои маъмултарин барои тавсифи микроструктураи графит мебошанд, XRD барои тавсифи кристалл истифода мешавад. маълумоти графит ва спектроскопияи Раман барои тавсифи камбудиҳо ва дараҷаи тартиби графит истифода мешавад.
Дар графит сӯрохҳои зиёде мавҷуданд, ки тавассути поляризатсияи катодӣ электролизи намаки гудохта тайёр карда шудаанд.Барои ашёи хоми гуногун, аз қабили электролизи сиёҳи карбон, наноструктураи рахнашакл ба гулбаргҳо ба даст оварда мешаванд.Пас аз электролиз дар сиёҳи карбон таҳлили спектри XRD ва Раман гузаронида мешавад.
Дар 827 ℃, пас аз коркард бо шиддати 2,6V барои 1 соат, тасвири спектралии Рамани сиёҳи карбон тақрибан бо тасвири графити тиҷоратӣ якхела аст.Пас аз коркарди сиёҳи карбон бо ҳароратҳои гуногун, қуллаи тези графитӣ (002) чен карда мешавад.Қуллаи дифраксия (002) дараҷаи ориентацияи қабати карбони хушбӯйро дар графит ифода мекунад.
Қабати карбон ҳар қадар тезтар бошад, ҳамон қадар ориентатсионӣ мешавад.
Чжу ангишти пасти покшударо ҳамчун катод дар таҷриба истифода бурд ва микроструктураи маҳсулоти графитизатсияшуда аз гранулӣ ба сохтори калони графит табдил ёфт ва қабати зич графит низ дар зери микроскопи интиқоли электронии баланд мушоҳида карда шуд.
Дар спектрҳои Раман, бо тағирёбии шароити таҷрибавӣ, арзиши ID/Ig низ тағир ёфт.Вақте ки ҳарорати электролитӣ 950 ℃ буд, вақти электролитӣ 6 соат ва шиддати электролитӣ 2,6 В буд, арзиши пасттарин ID/Ig 0,3 ва қуллаи D аз қуллаи G хеле пасттар буд.Дар айни замон, пайдоиши қуллаи 2D инчунин ташаккули сохтори графитҳои хеле тартибёфтаро ифода мекард.
Қуллаи дифраксияи якбора (002) дар тасвири XRD инчунин табдили бомуваффақияти ангиштсангро ба графит бо кристаллии баланд тасдиқ мекунад.
Дар раванди графитизатсия афзоиши ҳарорат ва шиддат нақши мусоидаткунанда мебозад, аммо шиддати аз ҳад зиёд ҳосили графитро коҳиш медиҳад ва ҳарорати аз ҳад зиёд ё вақти аз ҳад зиёди графитизатсия боиси исроф шудани захираҳо мегардад, бинобар ин барои маводи гуногуни карбон , он махсусан муҳим аст, ки ба омӯхтани шароити электролизӣ мувофиқтарин, аст, низ таваҷҷӯҳ ва душворӣ.
Ин наноструктураи ба гулбарг монанд хосиятҳои хуби электрохимиявӣ дорад.Миқдори зиёди сӯрохиҳо имкон медиҳанд, ки ионҳо зуд ворид карда шаванд/барои батареяҳо маводи катодӣ таъмин карда шаванд ва ғайра. Аз ин рӯ, усули электрохимиявии графитизатсия усули хеле эҳтимолии графитизатсия мебошад.
Усули электродепозитсияи намаки гудохта
2.1 Электродобшавии гази карбон
Ҳамчун муҳимтарин гази гармхонаӣ, CO2 инчунин як манбаи заҳролуд, безарар, арзон ва ба осонӣ дастраси барқароршаванда мебошад.Аммо, карбон дар CO2 дар баландтарин ҳолати оксидшавӣ қарор дорад, аз ин рӯ CO2 устувории баланди термодинамикӣ дорад, ки истифодаи дубораро мушкил мекунад.
Аввалин тадқиқот дар бораи электродепозитсияи CO2 метавонад ба солҳои 1960 баргашт.Инграм ва дигарон.карбон дар электроди тилло дар системаи намаки гудохтаи Li2CO3-Na2CO3-K2CO3 бомуваффақият омода карда шуд.
Ван ва дигарон.қайд кард, ки хокаҳои карбон, ки дар потенсиалҳои гуногуни коҳишёбӣ ба даст омадаанд, сохторҳои гуногун, аз ҷумла графит, карбон аморфӣ ва нанофилҳои карбон доранд.
Бо намаки гудохта барои ба даст овардани CO2 ва усули омодасозии муваффақияти маводи карбон, пас аз муддати тӯлонии тадқиқот олимон ба механизми ташаккули таҳшиншавии карбон ва таъсири шароити электролиз ба маҳсулоти ниҳоӣ, ки ҳарорати электролитӣ, шиддати электролитӣ ва таркибро дар бар мегиранд, тамаркуз карданд. намаки гудохта ва электродхо ва гайра тайёр карда шудани ма-териалхои графитй барои электропози-цияи СО2 тахкурсии мустахкам гузошт.
Бо иваз кардани электролит ва истифодаи системаи намаки гудохта дар асоси CaCl2 бо самаранокии баландтари гирифтани CO2, Hu et al.бомуваффақият графенро бо дараҷаи баланди графитизатсия ва нанотубаҳои карбон ва дигар сохторҳои нанографитӣ бо роҳи омӯзиши шароити электролитӣ ба монанди ҳарорати электролиз, таркиби электрод ва таркиби намаки гудохта омода кард.
Дар муқоиса бо системаи карбонатӣ, CaCl2 дорои бартариҳои арзон ва осон ба даст овардан, гузариши баланд, осон дар об ҳалшаванда ва баланд будани ҳалшавандагии ионҳои оксиген мебошад, ки барои табдил додани CO2 ба маҳсулоти графитӣ бо арзиши баланди изофӣ шароити назариявӣ фароҳам меорад.
2.2 Механизми табдилдиҳӣ
Омода кардани маводи карбон арзиши баланди изофӣ тавассути электродепозитсияи CO2 аз намаки гудохта асосан гирифтани CO2 ва коҳиши ғайримустақимро дар бар мегирад.Гирифтани CO2 тавассути O2- дар намаки гудохта ба анҷом мерасад, тавре ки дар муодилаи (1) нишон дода шудааст:
CO2+O2-→CO3 2- (1)
Дар айни замон се механизми реаксияи бавосита коҳиш додани реаксия пешниҳод шудааст: реаксияи як қадам, реаксияи дуқадам ва механизми реаксияи реаксияи металлӣ.
Механизми реаксияи якқадамӣ бори аввал аз ҷониби Инграм пешниҳод шудааст, ки дар муодилаи (2) нишон дода шудааст:
CO3 2-+ 4E – →C+3O2- (2)
Механизми реаксияи ду марҳила аз ҷониби Боручка ва дигарон пешниҳод шудааст, тавре ки дар муодилаи (3-4) нишон дода шудааст:
CO3 2-+ 2E – →CO2 2-+O2- (3)
CO2 2-+ 2E – →C+2O2- (4)
Механизми реаксияи коҳишёбии металлро Динхард ва дигарон пешниҳод кардаанд.Онҳо боварӣ доштанд, ки ионҳои металлӣ аввал дар катод ба металл табдил меёбанд ва сипас металл ба ионҳои карбонат табдил дода мешавад, тавре ки дар муодилаи (5 ~ 6) нишон дода шудааст:
M- + E – →M (5)
4 м + M2CO3 – > C + 3 м2о (6)
Дар айни замон дар адабиёти мавҷуда механизми реаксияи як қадам ба таври умум қабул шудааст.
Ин ва дигарон.системаи карбонати Li-Na-K-ро бо никел ҳамчун катод, диоксиди калъӣ ҳамчун анод ва сими нуқра ҳамчун электроди истинод омӯхт ва рақами санҷиши вольтметрии циклиро дар расми 2 (суръати сканкунии 100 мВ/с) дар катоди никел ба даст овард ва ёфт. ки дар сканкунии манфӣ танҳо як қуллаи коҳиш (дар -2.0V) мавҷуд буд.
Бинобар ин ба чунин хулоса омадан мумкин аст, ки дар вакти кам кардани карбонат танхо як реаксия ба амал омадааст.
Гао ва дигарон.дар ҳамон системаи карбонатӣ ҳамон вольтметрияи циклиро ба даст овард.
Ге ва дигарон.барои гирифтани CO2 дар системаи LiCl-Li2CO3 аноди ғайрифаъол ва катоди вольфрамро истифода бурд ва тасвирҳои шабеҳро ба даст овард ва танҳо авҷи коҳиши таҳшиншавии карбон дар сканкунии манфӣ пайдо шуд.
Дар системаи намаки гудохташудаи металлҳои сілтӣ, металлҳои сілтӣ ва CO ба вуҷуд меоянд, вақте ки карбон аз ҷониби катод ҷойгир карда мешавад.Аммо, азбаски шароити термодинамикии реаксияи пошидани карбон дар ҳарорати паст пасттар аст, дар таҷриба танҳо коҳиш ёфтани карбонат ба карбонро муайян кардан мумкин аст.
2.3 Гирифтани CO2 тавассути намаки гудохта барои тайёр кардани маҳсулоти графит
Наноматериалҳои графитии гаронбаҳои иловашуда, аз қабили графен ва нанотубаҳои карбонро тавассути электродепозитсияи CO2 аз намаки гудохта тавассути назорати шароити таҷрибавӣ омода кардан мумкин аст.Ху ва дигарон.пӯлоди зангногирро ҳамчун катод дар системаи намаки гудохтаи CaCl2-NaCl-CaO истифода бурд ва дар давоми 4 соат дар ҳолати шиддати доимии 2,6V дар ҳарорати гуногун электролиз карда шуд.
Ба туфайли катализи оҳан ва таъсири таркандаи СО дар байни қабатҳои графитӣ графен дар сатҳи катод пайдо шуд.Раванди тайёр кардани графен дар расми 3 нишон дода шудааст.
Сурат
Тадқиқотҳои баъдӣ Li2SO4 дар асоси системаи намаки гудохтаи CaCl2-NaClCaO илова карда шуданд, ҳарорати электролиз 625 ℃ буд, пас аз 4 соат электролиз, дар айни замон дар қабати катодӣ аз карбон графен ва нанотубаҳои карбон пайдо шуданд, тадқиқот нишон дод, ки Li+ ва SO4 2 — ба графитизатсия таъсири мусбат расонад.
Сульфур инчунин ба бадани карбон бомуваффақият ворид карда мешавад ва варақаҳои графитӣ ва карбони филаментиро тавассути назорати шароити электролитӣ ба даст овардан мумкин аст.
Маводҳо ба монанди ҳарорати электролитии баланд ва паст барои ташаккули графен муҳиманд, вақте ки ҳарорати баландтар аз 800 ℃ ба ҷои карбон тавлид кардани CO осонтар аст, ҳангоми баландтар аз 950 ℃ қариб ҳеҷ гуна таҳшиншавии карбон вуҷуд надорад, бинобар ин назорати ҳарорат хеле муҳим аст. барои тавлиди графен ва нанотубаҳои карбон ва барқарор кардани зарурати реаксияи консентратсияи карбон синергияи реаксияи CO-ро барои таъмини он, ки катод барои тавлиди графен устувор.
Ин корхо усули нави тайёр кардани махсулоти нано-графитро бо СО2 таъмин мекунанд, ки барои халли газхои гулхонай ва тайёр кардани графен ахамияти калон дорад.
3. Хулоса ва дурнамо
Бо тараккиёти босуръати саноати нави энергетика графити табий ба талаботи имруза чавоб дода наметавонист ва графити сунъй нисбат ба графити табий хосиятхои физикию химиявй бехтар дорад, бинобар ин графитизатсияи арзон, самаранок ва аз чихати экологи тоза максади дарозмуддат мебошад.
Усулҳои электрохимиявии графитизатсия дар ашёи хоми сахт ва газӣ бо усули поляризатсияи катодӣ ва пошидани электрохимиявӣ аз маводи графити дорои арзиши иловашуда бомуваффақият бароварда шуданд, дар муқоиса бо усули анъанавии графитизатсия, усули электрохимиявӣ самаранокии баландтар, сарфи ками энергия, ҳифзи муҳити зист сабз, барои хурд маҳдуд бо маводи интихобӣ дар як вақт, мувофиқи шароити гуногуни электролиз мумкин аст дар морфологияи гуногуни сохтори графит омода карда мешавад,
Он роҳи самараноки табдил додани ҳама намуди карбон аморфӣ ва газҳои гулхонаӣ ба маводи графитҳои арзишманди наносохторро фароҳам меорад ва дурнамои хуби татбиқ дорад.
Дар айни замон ин технология дар марҳилаи ибтидоӣ қарор дорад.Оид ба графитизатсия бо усули электрохимиявӣ тадқиқотҳо каманд ва ҳоло ҳам бисёр равандҳои номаълум мавҷуданд.Аз ин ру, аз ашьёи хом шуруъ карда, оид ба карбонхои гуногуни аморфй тадкикоти комплексй ва системанок гузаронда, дар айни замон термодинамика ва динамикаи табдили графитро дар сатхи чукуртар тадкик кардан лозим аст.
Инхо барои тараккиёти минбаъдаи саноати графит ахамияти калон доранд.
Вақти фиристодан: 10 май-2021