Grafit, takmynan 2 milliard tonna tebigy grafitiň dünýäde subut edilen ätiýaçlyk emeli grafit we tebigy grafitlere bölünýär.
Emeli grafit adaty basyşda uglerodly materiallaryň dargamagy we ýylylygy bejermek arkaly alynýar. Bu üýtgeşme hereketlendiriji güýç hökmünde ýeterlik ýokary temperatura we energiýa talap edýär we tertipsiz gurluş sargyt edilen grafit kristal gurluşyna öwrüler.
Grafitizasiýa iň ýokary manyda 2000 above ýokary temperatura ýylylygy bejermek uglerod atomlaryny tertipleşdirmek arkaly uglerod materialynyň iň giň manysynda, ýöne 3000 above ýokary grafitizasiýada käbir uglerod materiallary, aňsat uglerod materiallary üçin “gaty kömür” diýlip atlandyrylýar, adaty grafitizasiýa usuly ýokary temperatura we ýokary basyş usuly, katalitik grafizasiýa usuly we himiki bug.
Grafitizasiýa uglerodly materiallardan ýokary bahaly peýdalanmagyň täsirli serişdesidir. Alymlar tarapyndan geçirilen giňişleýin we çuňňur gözleglerden soň, häzirki wagtda kämillik ýaşyna ýetdi. Şeýle-de bolsa, käbir amatsyz faktorlar adaty grafitizasiýanyň senagatda ulanylmagyny çäklendirýär, şonuň üçin täze grafitizasiýa usullaryny öwrenmek gutulgysyz tendensiýa.
XIX asyrdan bäri eredilen duz elektroliz usuly bir asyrdan gowrak ösüşdi, onuň esasy teoriýasy we täze usullary hemişe täzelik we ösüşdir, indi adaty metallurgiýa pudagy bilen çäklenmeýär, 21-nji asyryň başynda, eredilen duz ulgamyndaky metal elementar metallaryň gaty oksidi elektrolitiki azaltma taýýarlygy has işjeň, üns merkezine öwrüldi.
Recentlyakynda eredilen duz elektrolizi bilen grafit materiallaryny taýýarlamagyň täze usuly köpleriň ünsüni özüne çekdi.
Katodiki polýarizasiýa we elektrodepozisiýa arkaly uglerod çig malynyň iki dürli görnüşi, goşmaça gymmaty bolan nano-grafit materiallaryna öwrülýär. Adaty grafitizasiýa tehnologiýasy bilen deňeşdirilende, täze grafitizasiýa usuly pes grafitizasiýa temperaturasynyň we dolandyrylýan morfologiýanyň artykmaçlyklaryna eýedir.
Bu kagyz, elektrohimiýa usuly bilen grafitizasiýanyň gidişine syn berýär, bu täze tehnologiýany hödürleýär, artykmaçlyklaryny we kemçiliklerini seljerýär we geljekdäki ösüş tendensiýasyny göz öňünde tutýar.
Ilki bilen eredilen duz elektrolitiki katod polýarizasiýa usuly
1.1 çig mal
Häzirki wagtda emeli grafitiň esasy çig maly, ýokary gözenekli, az kükürtli, az külli we grafitizasiýanyň artykmaçlyklary bolan ýokary hilli uglerod materiallaryny öndürmek üçin çig mal hökmünde ýokary grafitizasiýa derejesindäki iňňe koksy we kömür koksydyr, grafit taýýarlanylandan soň täsirine gowy garşylyk, ýokary mehaniki güýç, pes garşylyk,
Şeýle-de bolsa, çäklendirilen nebit gorlary we üýtgäp durýan nebit bahalary onuň ösüşini çäklendirdi, şonuň üçin täze çig mal gözlemek çözülmeli derwaýys meselä öwrüldi.
Adaty grafitizasiýa usullarynyň çäklendirmeleri bar we dürli grafitizasiýa usullary dürli çig mal ulanýar. Grafiki däl uglerod üçin adaty usullar ony grafiki taýdan kynlaşdyryp bilmeýär, eredilen duz elektroliziniň elektrokimiki formulasy çig malyň çäkliligini bozýar we adaty uglerod materiallarynyň hemmesine diýen ýaly laýyk gelýär.
Adaty uglerod materiallaryna kömür gara, işjeňleşdirilen uglerod, kömür we ş.m. girýär, olaryň arasynda kömür iň geljegi uly. Kömür esasly syýa kömüri deslapky hökmünde alýar we deslapky bejergiden soň ýokary temperaturada grafit önümlerine taýýarlanýar.
Recentlyaňy-ýakynda bu kagyz, eredilen duz elektroliziniň üsti bilen Peng ýaly täze elektrokimiki usullary teklip edýär, uglerod gara reňkini grafitiň ýokary kristallygyna öwrüp bilmeýär, ýaprak şekilli grafit nanometr çiplerini öz içine alýan grafit nusgalarynyň elektrolizi, litiý batareýasynyň katody üçin ulanylanda tebigy grafitden has ýokary elektrohimiki öndürijiligi görkezýär.
Zhu we başgalar. 950 at derejesinde elektroliz üçin CaCl2 eredilen duz ulgamyna arassalanan pes hilli kömüri goýuň we litiý ion batareýasynyň anody hökmünde ulanylanda pes hilli öndürijiligini we uzak aýlawly ömrüni görkezýän pes hilli kömüri ýokary kristallylygy bilen grafitde üstünlikli öwrüpdir.
Synag, geljekki sintetiki grafit üçin täze ýol açýan eredilen duz elektroliziniň kömegi bilen dürli görnüşli adaty uglerod materiallaryny grafite öwürmegiň mümkindigini görkezýär.
1.2 mehanizmi
Eredilen duz elektroliz usuly uglerod materialyny katod hökmünde ulanýar we katod polýarizasiýasy arkaly ýokary kristallylygy bilen grafite öwürýär. Häzirki wagtda bar bolan edebiýatda katod polýarizasiýasynyň potensial öwrülişiginde kislorodyň aýrylmagy we uglerod atomlarynyň uzak aralyga tertipleşdirilmegi barada aýdylýar.
Uglerod materiallarynda kislorodyň bolmagy belli bir derejede grafitizasiýa päsgelçilik döreder. Adaty grafitizasiýa prosesinde, temperatura 1600K-dan ýokary bolanda kislorod ýuwaş-ýuwaşdan aýrylar. Şeýle-de bolsa, katodiki polýarizasiýa arkaly deoksidleşdirmek gaty amatly.
Peng we ş.m. synaglarda ilkinji gezek eredilen duz elektroliziniň katod polýarizasiýa potensial mehanizmini öňe sürdi, ýagny grafitizasiýa başlamaly ýer gaty uglerod mikrosferalarynda / elektrolit interfeýsinde ýerleşmeli, ilkinji uglerod mikrosferasy şol bir diametrli grafit gabygynyň töwereginde emele gelýär, soň bolsa durnuksyz daşarky uglerod uglerod atomlary has durnukly daşarky grafit flakasyna ýaýraýar.
Grafizasiýa prosesi kislorodyň aýrylmagy bilen utgaşýar, bu hem synaglar bilen tassyklanýar.
Jin we başgalar. synaglar arkaly bu nukdaýnazary subut etdi. Glyukoza karbonlaşdyrylandan soň grafitizasiýa (17% kislorod) geçirildi. Grafitizasiýadan soň asyl gaty uglerod sferalary (1a we 1c surat) grafit nanosheetlerinden (1b we 1d surat) gözenekli gabyk emele getirdi.
Uglerod süýümleriniň elektrolizi bilen (16% kislorod) uglerod süýümleri edebiýatda göz öňünde tutulan öwrüliş mehanizmine laýyklykda grafitizasiýadan soň grafit turbalaryna öwrülip biler.
Uzak aralyk hereketiniň uglerod atomlarynyň katodiki polýarizasiýasyndadygyna ynanýarys, ýokary hrustal grafit amorf uglerodyň täzeden düzülmegine çenli işlemeli, sintetiki grafit täsin ýapraklar kislorod atomlaryndan peýdalanýan nanostrukturalary emele getirýär, ýöne grafit nanometr gurluşyna nähili täsir etmelidigi anyk däl, katod reaksiýasyndan soň uglerod skeletinden kislorod we ş.m.
Häzirki wagtda mehanizm boýunça gözlegler entek başlangyç basgançakda we has köp gözleg gerek.
1.3 Sintetiki grafitiň morfologik häsiýetnamasy
SEM grafitiň mikroskopik ýerüsti morfologiýasyny synlamak üçin ulanylýar, TEM 0,2 mk-dan az gurluş morfologiýasyny synlamak üçin ulanylýar, XRD we Raman spektroskopiýasy grafitiň mikrostrukturasyny häsiýetlendirmek üçin iň köp ulanylýan serişdedir, grafitiň kristal maglumatlaryny häsiýetlendirmek üçin XRD ulanylýar, Raman spektroskopiýasy bolsa grafitiň kemçiliklerini we tertip derejesini häsiýetlendirmek üçin ulanylýar.
Grafitde eredilen duz elektroliziniň katod polýarizasiýasy bilen taýýarlanan köp gözenek bar. Kömürturşy gara elektroliz ýaly dürli çig mal üçin ýapraga meňzeş gözenekli nanostruktura alynýar. XRD we Raman spektr derňewi elektrolizden soň uglerodyň üstünde amala aşyrylýar.
827 At derejesinde, 1 sagatda 2,6V naprýa .eniýe bilen bejerilenden soň, uglerod gara reňkli Raman spektral şekili täjirçilik grafitine meňzeýär. Uglerod gara dürli temperatura bilen bejerilenden soň, ýiti grafit häsiýetli pik (002) ölçelýär. Difraksiýanyň iň ýokary derejesi (002), grafitdäki ysly uglerod gatlagynyň ugruny görkezýär.
Uglerod gatlagy näçe ýiti bolsa, şonça-da gönükdirilen.
Zhu synagda arassalanan pes kömüri katod hökmünde ulandy we grafitlenen önümiň mikrostrukturasy granulardan uly grafit gurluşyna öwrüldi we berk grafit gatlagy ýokary tizlikli elektron mikroskopda hem syn edildi.
Raman spektrinde synag şertleriniň üýtgemegi bilen ID / Ig bahasy hem üýtgedi. Elektrolitiki temperatura 950 was bolanda, elektrolitiki wagt 6s, elektrolitiki naprýa 2.eniýe 2,6V, iň pes ID / Ig bahasy 0,3, D pik bolsa G pikinden has pesdi. Şol bir wagtyň özünde 2D pikiň peýda bolmagy ýokary tertipli grafit gurluşynyň emele gelmegini aňladýardy.
XRD şekilindäki ýiti (002) difraksiýa pikiri pes kömüriň ýokary kristallylygy bilen grafite üstünlikli öwrülmegini hem tassyklaýar.
Grafizasiýa prosesinde temperaturanyň we naprýa .eniýeniň ýokarlanmagy öňe sürýän rol oýnar, ýöne gaty ýokary naprýa .eniýe grafitiň öndürijiligini peselder we aşa ýokary temperatura ýa-da gaty uzak grafitizasiýa wagty serişdeleriň ýitmegine sebäp bolar, şonuň üçin dürli uglerod materiallary üçin iň amatly elektrolitiki şertleri öwrenmek möhümdir we kynçylykdyr.
Bu ýapraga meňzeş ýalpak nanostruktura ajaýyp elektrohimiki aýratynlyklara eýedir. Gözenekleriň köpüsi ionlary çalt salmaga / goýmaga mümkinçilik berýär, batareýalar üçin ýokary hilli katod materiallary we ş.m. Şonuň üçin elektrokimiki usul grafitizasiýasy gaty potensial grafitizasiýa usulydyr.
Eredilen duz elektrodepozisiýa usuly
2.1 Kömürturşy gazynyň elektrodepozisiýasy
Iň möhüm parnik gazy hökmünde CO2 zäherli, zyýansyz, arzan we aňsat elýeterli täzelenip bilýän çeşme. Şeýle-de bolsa, CO2-de uglerod iň ýokary okislenme ýagdaýynda, şonuň üçin CO2 ýokary termodinamiki durnuklylyga eýe, bu bolsa gaýtadan ulanmagy kynlaşdyrýar.
CO2 elektrodepozisiýasy boýunça ilkinji gözlegleri 1960-njy ýyllardan gözbaş alyp bolar. Ingram we ş.m. Li2CO3-Na2CO3-K2CO3 eredilen duz ulgamynda altyn elektrodda uglerod üstünlikli taýýarlandy.
Wan we başgalar. Dürli azaltmak potensialynda alnan uglerod tozanlarynyň grafit, amorf uglerod we uglerod nanofibrleri ýaly dürli gurluşlara eýe bolandygyny görkezdi.
CO2-ni ele almak üçin eredilen duz we uglerod materialynyň üstünligini taýýarlamak usuly bilen, alymlar uzak wagtlap uglerodyň emele geliş mehanizmine we elektrolit şertleriniň elektrolitiki temperaturany, elektrolitiki naprýa .eniýäni we eredilen duzuň we elektrodlaryň düzümini we ş.m. öz içine alýan soňky önüme täsirine ünsi jemlediler, CO2-iň elektrodepozisiýasy üçin grafit materiallarynyň ýokary öndürijiligini taýýarlamak.
Elektrolitleri üýtgetmek we has ýokary CO2 tutma netijeliligi bilen CaCl2 esasly eredilen duz ulgamyny ulanmak arkaly Hu we ş.m. Has ýokary grafitizasiýa derejesi we uglerod nanoturbajyklary we beýleki nanografit gurluşlary bilen elektroliz temperaturasy, elektrodyň düzümi we eredilen duz düzümi ýaly elektrolitiki şertleri öwrenip üstünlikli taýýarlandy.
Karbonat ulgamy bilen deňeşdirilende, CaCl2 arzan we almak aňsat, ýokary geçirijilik, suwda eremek aňsat we kislorod ionlarynyň ýokary erginli artykmaçlyklaryna eýedir, bu bolsa CO2-ni ýokary bahaly grafit önümlerine öwürmek üçin teoretiki şertleri üpjün edýär.
2.2 Üýtgetme mehanizmi
Eredilen duzdan CO2 elektrodepozisiýasy bilen ýokary bahaly uglerod materiallaryny taýýarlamak, esasan, CO2 tutmagy we gytaklaýyn azaltmagy öz içine alýar. CO2-ni almak, deňleme (1) -de görkezilişi ýaly mugt O2- eredilen duz bilen tamamlanýar:
CO2 + O2- → CO3 2- (1)
Häzirki wagtda gytaklaýyn azaltmagyň üç reaksiýa mehanizmi teklip edildi: bir basgançakly reaksiýa, iki basgançakly reaksiýa we metal azaltmak reaksiýasy mehanizmi.
Bir ädimli reaksiýa mehanizmi (2) deňlikde görkezilişi ýaly ilki Ingram tarapyndan teklip edildi:
CO3 2- + 4E - → C + 3O2- (2)
Iki basgançakly reaksiýa mehanizmi (3-4) deňlemede görkezilişi ýaly Borucka we başg.
CO3 2- + 2E - → CO2 2- + O2- (3)
CO2 2- + 2E - → C + 2O2- (4)
Metaly azaltmak reaksiýasynyň mehanizmi Deanhardt we başgalar tarapyndan teklip edildi. Ilki bilen metal ionlarynyň katodda metal, soňra bolsa deňlemede (5 ~ 6) görkezilişi ýaly karbonat ionlaryna öwrülendigine ynanýardylar:
M- + E - → M (5)
4 m + M2CO3 -> C + 3 m2o (6)
Häzirki wagtda bar bolan edebiýatda bir basgançakly reaksiýa mehanizmi kabul edilýär.
Inin we ş.m. Li-Na-K karbonat ulgamyny nikel bilen katod, anod hökmünde galaýy dioksid we salgylanma elektrody hökmünde kümüş sim bilen öwrenip, nikel katodda 2-nji suratda (100 mV / s skaner tizligi) siklik woltammetriýa synag şekilini aldy we negatiw skanerde diňe bir peseliş derejesiniň bardygyny anyklady (-2.0V).
Şonuň üçin karbonatyň azalmagy wagtynda diňe bir reaksiýanyň ýüze çykandygy barada netije çykaryp bolar.
Gao we başgalar. şol bir karbonat ulgamynda şol bir siklik woltammetri aldy.
Ge we ş.m. LiCl-Li2CO3 ulgamynda CO2 almak üçin inert anod we wolfram katodyny ulanyp, şuňa meňzeş suratlary aldy we otrisatel skanerde diňe uglerodyň çökdürilişiniň peselmegi ýüze çykdy.
Alkogolly metal eredilen duz ulgamynda, uglerod katodda goýlanda aşgar metallar we CO emele geler. Şeýle-de bolsa, uglerodyň çökdürilişiniň termodinamiki şertleriniň has pes temperaturada pes bolandygy sebäpli, synagda diňe karbonatyň uglerodyň azalmagy ýüze çykarylyp bilner.
2.3 Grafit önümlerini taýýarlamak üçin eredilen duz bilen CO2 almak
Grafen we uglerod nanoturbajyklary ýaly ýokary bahaly grafit nanomateriallary, synag şertlerine gözegçilik edip, eredilen duzdan CO2 elektrodepozisiýasy arkaly taýýarlap bolýar. Hu we başgalar. poslamaýan polatdan CaCl2-NaCl-CaO eredilen duz ulgamynda katod hökmünde ulanyldy we dürli temperaturalarda 2,6V hemişelik naprýa .eniýe şertinde 4 sagatda elektroliz edildi.
Demiriň katalizlenmegi we grafit gatlaklarynyň arasyndaky CO-nyň partlaýjy täsiri netijesinde katodyň üstünde grafen tapyldy. Grafeniň taýýarlanylyşy 3-nji suratda görkezilýär.
Surat
Soňraky gözlegler CaCl2-NaClCaO eredilen duz ulgamynyň esasynda Li2SO4 goşdy, elektroliziň temperaturasy 625 was boldy, 4 sagat elektrolizden soň, şol bir wagtyň özünde uglerodyň katodiki çökdürilişinde grafen we uglerod nanoturbajyklary tapyldy, gözleg Li + we SO4 2-iň grafitizasiýa oňyn täsir etjekdigini ýüze çykardy.
Kükürt uglerod bedenine üstünlikli birleşdirilýär we elektrolitiki şertlere gözegçilik etmek arkaly ultra inçe grafit listleri we filamentli uglerod alyp bolýar.
Grafeniň emele gelmegi üçin ýokary we pes elektrolitiki temperatura ýaly materiallar möhümdir, 800 than-dan ýokary temperatura uglerodyň ýerine CO öndürmek aňsat bolanda, 950 than-dan ýokary bolanda uglerodyň çökdürilmegi ýok diýen ýaly, şonuň üçin grafen we uglerod nanoturbajyklaryny öndürmek we katodyň durnukly grafini üpjün etmek üçin zerur bolan uglerod çökdürme reaksiýasy CO reaksiýa sinergiýasyny dikeltmek möhümdir.
Bu işler, parnik gazlarynyň çözülmegi we grafeniň taýýarlanmagy üçin möhüm ähmiýete eýe bolan CO2 tarapyndan nano-grafit önümlerini taýýarlamagyň täze usuly bilen üpjün edýär.
3. Gysgaça mazmun we dünýägaraýyş
Täze energiýa pudagynyň çalt ösmegi bilen tebigy grafit häzirki islegi kanagatlandyryp bilmedi we emeli grafit tebigy grafitden has gowy fiziki we himiki aýratynlyklara eýe, şonuň üçin arzan, täsirli we ekologiýa taýdan arassa grafitizasiýa uzak möhletli maksatdyr.
Katodiki polýarizasiýa we elektrokimiki çökdürmek usuly bilen gaty we gazly çig mallarda elektrokimiki usullar grafitizasiýa, adaty grafitizasiýa usuly bilen deňeşdirilende, ýokary goşmaça gymmaty bolan grafit materiallaryndan üstünlikli çykaryldy, elektrokimiki usul has ýokary netijelidir, energiýany pes sarp edýär, ýaşyl daşky gurşawy goraýar, dürli gurluşly morf şertlerine görä taýýarlanan grafika görä
Amorf uglerod we parnik gazlarynyň her dürli gymmatly nano gurluşly grafit materiallaryna öwrülmeginiň täsirli usuly bilen üpjün edýär we amatly perspektiwaly.
Häzirki wagtda bu tehnologiýa başlangyç döwründe. Elektrokimiki usul bilen grafitizasiýa boýunça gözlegler az we henizem bilinmeýän prosesler köp. Şonuň üçin çig maldan başlamaly we dürli amorf uglerodlar barada giňişleýin we yzygiderli gözleg geçirmeli, şol bir wagtyň özünde grafit öwrülişiniň termodinamikasyny we dinamikasyny has çuňňur öwrenmeli.
Bular grafit pudagynyň geljekdäki ösüşi üçin gaty möhüm ähmiýete eýe.
Iş wagty: 10-2021-nji maý