Графит жасалма графит жана табигый графит болуп бөлүнөт, табигый графиттин дүйнөдөгү далилденген запасы 2 миллиард тоннага жакын.
Жасалма графит нормалдуу басымда көмүртектүү материалдарды ажыратуу жана жылуулук менен иштетүү аркылуу алынат. Бул трансформация кыймылдаткыч күч катары жетиштүү жогорку температураны жана энергияны талап кылат жана тартипсиз түзүлүш тартиптүү графит кристалл структурасына айланат.
Графиттештирүү көмүртектүү материалдын кеңири маанисинде 2000 ℃ден жогору жогорку температурада жылуулук менен иштетилген көмүртек атомдорунун кайра түзүлүшү аркылуу жүргүзүлөт, бирок 3000 ℃ жогору температурада кээ бир көмүртек материалдары графиттештирилсе, бул түрдөгү көмүртек материалдары "катуу көмүр" деп аталып, жеңил графиттештирилген көмүртектөө материалдары үчүн, традициялык жана жогорку басымдагы кататикалык ыкманы камтыйт. графиттөө, химиялык буу коюу ыкмасы ж.б.
Графиттештирүү көмүртектүү материалдарды жогорку кошумча нарк менен колдонуунун эффективдүү каражаты болуп саналат. Окумуштуулардын кеңири жана терең изилдөөлөрүнөн кийин, ал азыр негизинен жетилген. Бирок, кээ бир жагымсыз факторлор өнөр жайда салттуу графиттештирүүнүн колдонулушун чектейт, ошондуктан графиттөөнүн жаңы ыкмаларын изилдөөнүн сөзсүз тенденциясы болуп саналат.
19-кылымдан бери эриген туздун электролиз ыкмасы бир кылымдан ашык өнүгүүдө, анын негизги теориясы жана жаңы ыкмалары тынымсыз инновациялар жана өнүгүүлөр болуп саналат, азыр салттуу металлургиялык өнөр жай менен гана чектелбейт, 21-кылымдын башында металлды эритүү туз системасында катуу оксидди электролиздик калыбына келтирүү боюнча элементардык металлдарды даярдоо активдүүрөөк багытка айланды.
Акыркы убакта графиттик материалдарды эритилген туздун электролизинин жардамы менен даярдоонун жаңы ыкмасы көпчүлүктүн көңүлүн бурду.
Катоддук поляризация жана электродепозициянын жардамы менен көмүртек чийки затынын эки түрдүү формасы кошумча наркы жогору нано-графиттик материалдарга айланат. Салттуу графиттөө технологиясы менен салыштырганда, жаңы графиттөө ыкмасы төмөнкү графиттөө температурасынын жана башкарылуучу морфологиянын артыкчылыктарына ээ.
Бул эмгекте электрохимиялык ыкма менен графиттештирүүнүн жүрүшү каралат, бул жаңы технология киргизилет, анын артыкчылыктары жана кемчиликтери талданат жана анын келечектеги өнүгүү тенденциясы каралган.
Биринчиден, эриген туз электролиттик катоддук поляризация ыкмасы
1.1 чийки зат
Азыркы учурда, жасалма графиттин негизги чийки заты болуп ийне кокс жана жогорку графиттештирилген чайыр кокс саналат, тактап айтканда, мунай калдыктары жана көмүр чайыры менен жогорку сапаттагы көмүртектүү материалдарды алуу үчүн чийки зат катары, аз көзөнөктүүлүгү, аз күкүрттүү, күлдүн аздыгы жана графиттештирүүнүн артыкчылыктары, аны даярдагандан кийин, графитке, төмөн механикалык туруктуулукка ээ.
Бирок мунайдын чектелген запастары жана мунайдын баасынын өзгөрүшү анын өнүгүшүн чектеп койгондуктан, жаңы чийки затты издөө чечиле турган актуалдуу маселе болуп калды.
Салттуу графиттөө ыкмаларында чектөөлөр бар жана графиттөөнүн ар кандай ыкмалары ар кандай чийки заттарды колдонушат. Графиттештирилбеген көмүртек үчүн салттуу ыкмалар аны графиттештирүү кыйынга турат, ал эми эриген туз электролизинин электрохимиялык формуласы чийки заттардын чектөөсүнөн өтүп, дээрлик бардык салттуу көмүртек материалдарына ылайыктуу.
Салттуу көмүртектүү материалдарга кара көмүртек, активдештирилген көмүр, көмүр ж.б. кирет, алардын ичинен эң келечектүү көмүр болуп саналат. Көмүрдүн негизиндеги сыя көмүрдү прекурсор катары алат жана алдын ала тазалоодон кийин жогорку температурада графит продуктуларына даярдалат.
Жакында, бул эмгек жаңы электрохимиялык ыкмаларды сунуштайт, мисалы, Пенг, эриген туз электролизинин жардамы менен кара көмүртектин графиттин жогорку кристаллдуулугуна графиттештирилиши күмөн, графит үлгүлөрүнүн электролизинин петал формасы графит нанометрдик микросхемалар, литий батареясы үчүн колдонулганда жогорку спецификалык беттик аянтка ээ.
Жу жана башкалар. 950 ℃ электролиздөө үчүн тазаланган төмөн сапаттагы көмүрдү CaCl2 эритилген туз системасына салып, литий-иондук аккумулятордун аноду катары колдонулганда жакшы ылдамдыкты жана узак циклди көрсөткөн жогорку кристаллдуулугу менен графитке ийгиликтүү айланды.
Тажрыйба эриген туздун электролизинин жардамы менен ар турдуу салттуу углероддук материалдарды графитке айландыруу мумкун экендигин керсетту, бул келечектеги синтетикалык графитке жацы жол ачат.
1.2 механизми
Эриген туз электролиз ыкмасы катод катары көмүртек материалын колдонот жана катоддук поляризациянын жардамы менен жогорку кристаллдуулугу бар графитке айландырат. Азыркы кездеги адабияттарда катоддук поляризациянын потенциалдуу конверсия процессинде кычкылтектин алынып салынышы жана көмүртек атомдорунун узак аралыкка кайра түзүлүшү айтылат.
Көмүртек материалдарында кычкылтектин болушу кандайдыр бир деңгээлде графиттештирүүгө тоскоол болот. Салттуу графиттөө процессинде температура 1600Кден жогору болгондо кычкылтек акырындык менен алынып салынат. Бирок катоддук поляризация аркылуу деоксидациялоо өтө ыңгайлуу.
Пенг, ж.б. эксперименттерде биринчи жолу эриген туз электролизинин катоддук поляризациясынын потенциалдык механизмин, тактап айтканда, графитизациянын эң негизги жери катуу көмүртек микросфераларында/электролиттин интерфейсинде жайгашуусу керек, биринчи көмүртек микросферасы негизги бирдей диаметрдеги графиттин кабыгынын айланасында пайда болот, андан кийин эч качан туруктуу суусуз көмүртек атомдору толугу менен жайылып кетпейинче. графиттелген,
Графиттештирүү процесси кычкылтектин алынышы менен коштолот, бул эксперименттер менен да ырасталган.
Джин жана башкалар. бул кез карашын эксперименттер аркылуу да далилдеди. Глюкозаны карбонизациялоодон кийин графиттөө (кычкылтектин курамы 17%) жүргүзүлгөн. Графиттештирилгенден кийин баштапкы катуу көмүртек шарлары (1а жана 1в-сүрөт) графит нанобаракчаларынан (1б жана 1д-сүрөттөр) турган көзөнөктүү кабыкты пайда кылган.
Көмүртек булаларын электролиздөө жолу менен (16% кычкылтек) көмүртек булалары адабиятта айтылган конверсия механизмине ылайык графиттештирилгенден кийин графит түтүктөрүнө айланышы мүмкүн.
Узак аралыктагы кыймыл көмүртек атомдорунун катоддук поляризациясы астында болот деп ишенишкен, бийик кристаллдык графиттен аморфтук көмүртекке чейин кайра иштетилиши керек, синтетикалык графиттин уникалдуу желекчелери кычкылтек атомдорунан пайда алган наноструктураларды калыптандырат, бирок графиттин нанометрдик түзүлүшүнө кандайча таасир эте тургандыгы так эмес, мисалы, көмүртектин реакциясынан кийин кычкылтек, катходо жана башкалар.
Азыркы учурда механизм боюнча изилдөөлөр баштапкы этапта, андан ары изилдөө зарыл.
1.3 Синтетикалык графиттин морфологиялык мүнөздөмөсү
SEM графиттин микроскопиялык беттик морфологиясын байкоо үчүн колдонулат, TEM 0,2 мкмден аз структуралык морфологиясын байкоо үчүн колдонулат, XRD жана Раман спектроскопиясы графиттин микроструктурасын мүнөздөө үчүн эң көп колдонулган каражат болуп саналат, XRD кристаллдык маалыматты мүнөздөш үчүн колдонулат жана графиттин тартибин жана дефекттин даражасын аныктоо үчүн колдонулат. графиттен.
Эриген туздун электролизинин катоддук поляризациясы менен даярдалган графитте көптөгөн тешикчелер бар. Ар кандай чийки заттар үчүн, мисалы, көмүртектин кара электролизинде, желекче сымал көзөнөктүү наноструктуралар алынат. XRD жана Раман спектринин анализи электролизден кийин кара көмүртекте жүргүзүлөт.
827 ℃ температурада, 1 саат бою 2,6 В чыңалуу менен иштетилгенден кийин, кара көмүртектин Раман спектралдык сүрөтү коммерциялык графиттикине дээрлик окшош. Кара көмүртек ар кандай температуралар менен иштетилгенден кийин, курч графиттин мүнөздүү чокусу (002) ченелет. Дифракциялык чоку (002) графиттеги ароматтык көмүртек катмарынын ориентациясынын даражасын билдирет.
Көмүртек катмары канчалык курч болсо, ал ошончолук багытталган.
Чжу экспериментте катод катары тазаланган төмөнкү көмүрдү колдонгон жана графиттелген буюмдун микроструктурасы гранулдан чоң графиттик структурага айланган жана тыгыз графит катмары да жогорку ылдамдыкта өткөрүүчү электрондук микроскоптун астында байкалган.
Раман спектрлеринде эксперименттик шарттардын өзгөрүшү менен ID/Ig мааниси да өзгөргөн. Электролиттик температура 950 ℃ болгондо, электролиттик убакыт 6 саат, электролиттик чыңалуу 2,6 В, эң төмөнкү ID/Ig мааниси 0,3, ал эми D чокусу G чокусунан бир топ төмөн болгон. Ошол эле учурда, 2D чокусунун пайда болушу да жогорку иреттүү графит структурасынын пайда болушун билдирген.
XRD сүрөттөлүшүндөгү кескин (002) дифракциянын чокусу да начар көмүрдүн кристаллдуулугу жогору графитке ийгиликтүү айландырылгандыгын тастыктайт.
Графиттөө процессинде температуранын жана чыңалуунун жогорулашы көмөкчү ролду ойнойт, бирок өтө жогорку чыңалуу графиттин түшүмүн төмөндөтөт, ал эми өтө жогорку температура же өтө узун графиттөө убактысы ресурстардын текке кетишине алып келет, ошондуктан ар кандай көмүртектүү материалдар үчүн эң ылайыктуу электролиттик шарттарды изилдөө өзгөчө маанилүү, ошондой эле фокус жана кыйынчылык.
Бул желекче сымал үлүш наноструктурасы эң сонун электрохимиялык касиеттерге ээ. Көп сандагы тешикчелер иондорду бат эле киргизүүгө/каптоого мүмкүндүк берет, бул батареялар үчүн жогорку сапаттагы катоддук материалдар менен камсыз кылуу ж.
Эриген туздун электродепозитирлөө ыкмасы
2.1 Көмүр кычкыл газынын электродепозициясы
Эң маанилүү парник газы катары, СО2 дагы уулуу эмес, зыянсыз, арзан жана оңой жеткиликтүү жаңылануучу ресурс болуп саналат. Бирок СО2деги көмүртек эң жогорку кычкылдануу абалында, ошондуктан СО2 жогорку термодинамикалык туруктуулукка ээ, бул аны кайра колдонууну кыйындатат.
CO2 электродепозиясы боюнча эң алгачкы изилдөөлөр 1960-жылдарга таандык. Инграм жана башкалар. Li2CO3-Na2CO3-K2CO3 эритилген туз системасында алтын электроддо көмүртек ийгиликтүү даярдалган.
Ван жана башкалар. ар кандай редукция потенциалында алынган көмүртек порошоктору графит, аморфтук көмүртек жана көмүртек нанобулаларын камтыган ар кандай түзүлүшкө ээ экенин белгиледи.
СО2ди кармоо үчүн эриген туз жана көмүртек материалынын ийгилигинин даярдоо ыкмасы менен, узак убакытка созулган изилдөөлөрдөн кийин окумуштуулар көмүртектин түшүү механизмине жана электролиз шарттарынын акыркы продуктуга тийгизген таасирине көңүл бурушту, анын ичинде электролиттик температура, электролиттик чыңалуу жана эриген туз менен электроддордун курамы ж.б.
электролит өзгөртүү жана жогорку CO2 басып натыйжалуулугу менен CaCl2 негизделген эриген туз системасын колдонуу менен, Hu et al. электролиздин температурасы, электроддун курамы жана эриген туздун курамы сыяктуу электролиттик шарттарды изилдөө аркылуу графиттештирүү даражасы жогору графенди жана көмүртек нанотүтүкчөлөрүн жана башка нанографит структураларын ийгиликтүү даярдады.
Карбонат системасы менен салыштырганда, CaCl2 арзан жана оңой алынуучу, жогорку өткөргүчтүк, сууда оңой эрүү жана кычкылтек иондорунун жогорку эригичтигинин артыкчылыктарына ээ, алар СО2ди жогорку кошумча нарк менен графит продукциясына айландыруу үчүн теориялык шарттарды камсыз кылат.
2.2 Трансформация механизми
Эритилген туздан СО2ди электродепозиялоо жолу менен жогорку кошумча нарктуу көмүртектүү материалдарды даярдоо негизинен СО2ди кармоону жана кыйыр түрдө кыскартууну камтыйт. CO2 кармалышы (1) теңдемеде көрсөтүлгөндөй, эриген туздагы эркин O2- менен аяктайт:
CO2+O2-→CO3 2- (1)
Азыркы учурда үч кыйыр калыбына келтирүү реакциясынын механизмдери сунушталган: бир кадамдуу реакция, эки баскычтуу реакция жана металлды калыбына келтирүү реакциясынын механизми.
Бир кадамдуу реакция механизми биринчи жолу Инграм тарабынан сунушталган, (2) теңдемеде көрсөтүлгөн:
CO3 2-+ 4E – →C+3O2- (2)
Эки баскычтуу реакция механизми Боручка жана башкалар тарабынан сунушталган, (3-4) Теңдемеде көрсөтүлгөн:
CO3 2-+ 2E – →CO2 2-+O2- (3)
CO2 2-+ 2E – →C+2O2- (4)
Металлдарды калыбына келтирүү реакциясынын механизми Динхардт жана башкалар тарабынан сунушталган. Алар катоддо металл иондору алгач металлга чейин, андан кийин металл карбонат иондоруна чейин калыбына келтирилген деп ишенишкен, (5~6) Теңдемеде көрсөтүлгөн:
M- + E – →M (5)
4 м + M2CO3 – > C + 3 m2o (6)
Учурда бир кадамдуу реакция механизми бар адабияттарда жалпысынан кабыл алынган.
Yin жана башкалар. Катод катары никель, анод катары калайдын диоксиди жана эталондук электрод катары күмүш зым менен Li-Na-K карбонат системасын изилдеп, 2-сүрөттөгү циклдик вольтметриянын сыноо фигурасын (сканирлөө ылдамдыгы 100 мВ/с) никель катодунда жана бир гана терс сканирлөө бар экенин аныктады.20.V.
Демек, карбонатты калыбына келтирүү учурунда бир гана реакция болгон деген тыянак чыгарууга болот.
Гао жана башкалар. ошол эле карбонаттык системада бирдей циклдик вольтамметрияны алган.
Ге жана башкалар. LiCl-Li2CO3 системасында CO2ди кармоо үчүн инерттүү анод менен вольфрам катодун колдонду жана окшош сүрөттөрдү алышты жана терс сканерлөөдө көмүртек тундурмасынын кыскаруу чокусу гана пайда болду.
щелочтуу металлдын эриген туз системасында щелочтуу металлдар жана СО түзүлөт, ал эми көмүртек катоддо сакталат. Бирок, көмүртектин катмарлануу реакциясынын термодинамикалык шарттары төмөнкү температурада төмөн болгондуктан, экспериментте карбонаттын көмүртекке чейин кыскарышын гана аныктоого болот.
2.3 Графит продуктуларын даярдоо үчүн эриген туз менен CO2 басып алуу
Графен жана көмүртектүү нанотүтүкчөлөр сыяктуу жогорку кошумча нарктагы графит наноматериалдарын эксперименталдык шарттарды көзөмөлдөө жолу менен эриген туздан CO2 электродепозиясы менен даярдаса болот. Ху жана башкалар. CaCl2-NaCl-CaO эриген туз системасында катод катары дат баспас болоттон колдонулган жана ар кандай температурада 2,6V туруктуу чыңалуу шартында 4 саат электролизденген.
Темирдин катализинин жана графит катмарларынын ортосундагы СО жарылуучу эффектинин аркасында катоддун бетинде графен табылган. Графенди даярдоо процесси 3-сүрөттө көрсөтүлгөн.
Сүрөт
Кийинчерээк изилдөөлөр CaCl2-NaClCaO эриген туз системасынын негизинде Li2SO4 кошулган, электролиздин температурасы 625 ℃ болгон, 4 саат электролизден кийин, ошол эле учурда көмүртектин катоддук чөкмөлөрүндө графен жана көмүртек нанотүтүкчөлөрү табылган, изилдөө Li+ жана SO4 2- графитке оң таасирин тийгизерин аныктаган.
Күкүрт ошондой эле көмүртектин денесине ийгиликтүү кошулган жана ультра жука графит барактары менен жип сымал көмүртекти электролиттик шарттарды көзөмөлдөө аркылуу алууга болот.
Графендин пайда болушу үчүн электролиттик жогорку жана төмөнкү температура сыяктуу материал өтө маанилүү, 800 ℃ жогору температура көмүртектин ордуна СО түзүүгө оңой болгондо, 950 ℃ жогору болгондо дээрлик эч кандай көмүртек чөкпөйт, ошондуктан температураны көзөмөлдөө графен жана көмүртек нанотүтүктөрдү өндүрүү үчүн өтө маанилүү жана СО реакциясынын синергетикалык графигин камсыз кылуу үчүн көмүртектин чөкүү реакциясын калыбына келтирүү.
Бул иштер парник газдарын чечүү жана графенди даярдоо үчүн чоң мааниге ээ болгон СО2 менен нано-графит продуктуларын даярдоонун жаңы ыкмасын берет.
3. Жыйынтык жана болжол
Жаңы энергетика тармагынын тез өнүгүшү менен табигый графит азыркы суроо-талапты канааттандыра албай калды, ал эми жасалма графит табигый графитке караганда физикалык жана химиялык касиеттерге ээ, ошондуктан арзан, эффективдүү жана экологиялык таза графиттештирүү узак мөөнөттүү максат болуп саналат.
Катуу жана газ түрүндөгү чийки затта графиттөөнүн электрохимиялык ыкмалары катоддук поляризация жана электрохимиялык чөкүү ыкмасы менен графиттештирүүнүн салттуу ыкмасына салыштырмалуу жогорку кошумча нарктагы графиттик материалдардан ийгиликтүү чыкты, электрохимиялык ыкма эффективдүүлүгү жогору, энергияны аз сарптайт, айлана-чөйрөнү жашыл коргойт, кичинекей үчүн, бир эле учурда ар кандай шарттарга ылайык, электрофитологиянын ар кандай шартына жараша даярдалышы мүмкүн. түзүлүш,
Бул аморфтук көмүртектин жана парник газдарынын бардык түрлөрүн баалуу наноструктуралуу графит материалдарына айландыруунун эффективдүү жолун камсыз кылат жана жакшы колдонуу перспективасына ээ.
Учурда бул технология алгачкы баскычында. Электрохимиялык ыкма менен графиттештирүү боюнча изилдөөлөр аз, али белгисиз процесстер көп. Ошондуктан сырьедон баштап, ар кандай аморфтук көмүртектерге комплекстүү жана системалуу изилдөөлөрдү жүргүзүү, ошону менен бирге графиттин конверсиясынын термодинамикасын жана динамикасын тереңирээк изилдөө зарыл.
Булар графит енер жайынын келечектеги енугушу учун зор мааниге ээ.
Посттун убактысы: 2021-жылдын 10-майы