Grafit gëtt a künstlechen a natierleche Grafit opgedeelt, mat weltwäite bewisenen natierleche Grafitreserven vun ongeféier 2 Milliarden Tonnen.
Kënschtleche Graphit gëtt duerch d'Zersetzung an d'Hëtztbehandlung vu kuelestoffhaltege Materialien ënner normalen Drock gewonnen. Dës Transformatioun erfuerdert eng genuch héich Temperatur an Energie als Undriffskraaft, an déi ongeuerdnet Struktur gëtt an eng geuerdnet Graphitkristallstruktur transforméiert.
Graphitiséierung ass am breede Sënn vun engem kuelestoffhaltege Material duerch eng Héichtemperatur-Hëtzebehandlung iwwer 2000 ℃, wouduerch d'Kuelestoffatome nei arrangéiert ginn. Wéi och ëmmer, verschidde Kuelestoffmaterialien ënnerleien der Graphitiséierung bei héijen Temperaturen iwwer 3000 ℃. Dës Zort Kuelestoffmaterial ass als "haart Holzkuel" bekannt a gëllt fir einfach graphitiséierbar Kuelestoffmaterialien. Déi traditionell Graphitiséierungsmethoden enthalen Héichtemperatur- an Héichdrockmethoden, katalytesch Graphitiséierung a chemesch Gasoflagerungsmethoden.
Graphitiséierung ass e effektivt Mëttel fir d'Notzung vu kuelestoffhaltege Materialien mat héijer Méiwäert. No extensiver an detailléierter Fuerschung vu Wëssenschaftler ass et elo grondsätzlech reif. Wéi och ëmmer, e puer ongënschteg Faktoren limitéieren d'Uwendung vun der traditioneller Graphitiséierung an der Industrie, dofir ass et en inévitablen Trend fir nei Graphitiséierungsmethoden z'entdecken.
D'Method vun der geschmollte Salzelektrolyse ass zënter dem 19. Joerhonnert méi wéi ee Joerhonnert vun Entwécklung. Seng Basistheorie an nei Methode gi stänneg innovativ an entwéckelt. Elo ass se net méi op déi traditionell Metallindustrie limitéiert. Ufanks vum 21. Joerhonnert ass d'Virbereedung vun elementarem Metall am geschmollte Salzsystem duerch d'Reduktioun vu Festoxiden an der Elektrolytproduktioun vun Elementmetaller de Fokus vun der méi aktiver Virbereedung ginn.
An der leschter Zäit huet eng nei Method fir d'Virbereedung vu Graphitmaterialien duerch geschmollte Salzelektrolyse vill Opmierksamkeet op sech gezunn.
Duerch kathodesch Polariséierung an Elektrodepositioun ginn déi zwou verschidde Forme vu Kuelestoffrohmaterialien a Nano-Graphitmaterialien mat héijem Mehrwäert transforméiert. Am Verglach mat der traditioneller Graphitisierungstechnologie huet déi nei Graphitisierungsmethod d'Virdeeler vun enger méi niddreger Graphitisierungstemperatur an enger kontrolléierbarer Morphologie.
Dësen Artikel iwwerpréift de Fortschrëtt vun der Graphitiséierung duerch elektrochemesch Method, stellt dës nei Technologie vir, analyséiert hir Vir- an Nodeeler a prognostizéiert hir zukünfteg Entwécklungstrends.
Éischtens, d'Method vun der Polariséierung vun der elektrolytescher Kathod mat geschmolltem Salz
1.1 d'Rohmaterial
De Moment ass dat Haaptgrondmaterial fir kënschtleche Graphit Nadelkoks a Pechkoks mat engem héije Graphitisierungsgrad, nämlech aus den Uelegreschter an dem Kuelenteer als Grondmaterial fir héichwäerteg Kuelestoffmaterialien ze produzéieren, mat enger gerénger Porositéit, engem niddrege Schwefelgehalt, engem niddregen Äschegehalt a Virdeeler vun der Graphitisierung. No senger Virbereedung zu Graphit huet et eng gutt Schlagfestigkeit, eng héich mechanesch Festigkeit an e niddrege Widderstand.
Wéinst limitéierten Uelegreserven a schwankende Uelegpräisser ass d'Entwécklung awer limitéiert, sou datt d'Sich no neie Réistoffer zu engem dréngende Problem ginn ass, deen ze léisen ass.
Traditionell Graphitiséierungsmethoden hunn Aschränkungen, an ënnerschiddlech Graphitiséierungsmethoden benotzen ënnerschiddlech Réimaterialien. Fir net-graphitiséierte Kuelestoff kënnen traditionell Methoden en kaum graphitiséieren, während d'elektrochemesch Formel vun der geschmollte Salzelektrolyse d'Aschränkung vu Réimaterialien duerchbrécht a fir bal all traditionell Kuelestoffmaterialien gëeegent ass.
Zu den traditionelle Kuelestoffmaterialien gehéieren Kuelestoffschwaarz, Aktivkuel, Kuel, etc., vun deenen Kuel dat villverspriechendst ass. D'Kuelbaséiert Tënt benotzt Kuel als Virgänger a gëtt no der Virbehandlung bei héijer Temperatur zu Graphitprodukter preparéiert.
An dëser Publikatioun gëtt viru kuerzem nei elektrochemesch Methode proposéiert, wéi zum Beispill d'Peng, bei där d'Elektrolyse vu geschmollte Salz onwahrscheinlech Kuelestoff zu Graphit mat héijer Kristallinitéit graphitiséiert. D'Elektrolyse vu Graphitprouwen, déi blätterfërmeg Graphit-Nanometerchips enthalen, huet eng héich spezifesch Uewerfläch. Wann d'Kathode fir Lithiumbatterien benotzt gëtt, weist se eng exzellent elektrochemesch Leeschtung wéi natierlecht Graphit.
Zhu et al. hunn déi entäschte Kuel vun niddereger Qualitéit an e geschmollte CaCl2-Salzsystem fir d'Elektrolyse bei 950 ℃ bruecht an déi Kuel vun niddereger Qualitéit erfollegräich a Graphit mat héijer Kristallinitéit ëmgewandelt, wat eng gutt Leeschtung an eng laang Liewensdauer gewisen huet, wann et als Anode vun enger Lithium-Ionen-Batterie benotzt gouf.
D'Experiment weist, datt et machbar ass, verschidden Aarte vun traditionelle Kuelestoffmaterialien duerch Schmelzsalzelektrolyse a Graphit ëmzewandelen, wat en neie Wee fir zukünftegt synthetescht Graphit opmécht.
1.2 de Mechanismus vun
D'Method vun der geschmollte Salzelektrolyse benotzt Kuelestoffmaterial als Kathod a konvertéiert et duerch kathodesch Polariséierung a Graphit mat héijer Kristallinitéit. Am Moment ernimmt déi existent Literatur d'Entfernung vu Sauerstoff an d'Ëmorganiséierung vu Kuelestoffatome iwwer grouss Distanzen am potenziellen Ëmwandlungsprozess vun der kathodescher Polariséierung.
D'Präsenz vu Sauerstoff a Kuelestoffmaterialien wäert d'Graphitiséierung bis zu engem gewësse Grad behënneren. Am traditionelle Graphitiséierungsprozess gëtt Sauerstoff lues ewechgeholl, wann d'Temperatur méi héich wéi 1600K ass. Et ass awer extrem praktesch, duerch kathodesch Polariséierung ze desoxidéieren.
Peng etc. hunn an den Experimenter fir d'éischt Kéier de Mechanismus vun der kathodescher Polarisatioun duerch d'Schmelzsalzelektrolyse virgestallt, nämlech datt d'Graphitiséierung am Ufank an der Grenzfläche vun de feste Kuelestoffmikrokugelen/Elektrolyt läit. Als éischt bilden sech d'Kuelestoffmikrokugelen ëm eng Basis-Graphitschuel mat dem selwechten Duerchmiesser, an dann verbreeden sech déi stabil, wasserfräi Kuelestoffatome zu méi stabile baussenzege Graphitschlacken, bis se komplett graphitiséiert sinn.
De Grafitiséierungsprozess gëtt vun der Entfernung vu Sauerstoff begleet, wat och duerch Experimenter bestätegt gëtt.
Jin et al. hunn dëse Standpunkt och duerch Experimenter bewisen. Nom Karboniséiere vu Glukos gouf eng Graphitiséierung (17% Sauerstoffgehalt) duerchgefouert. Nom Graphitiséierung hunn déi ursprénglech fest Kuelestoffkugelen (Fig. 1a an 1c) eng poréis Schuel geformt, déi aus Graphit-Nanoschichten zesummegesat war (Fig. 1b an 1d).
Duerch Elektrolyse vu Kuelefaseren (16% Sauerstoff) kënnen d'Kuelefaseren no der Graphitiséierung a Graphitröhrchen ëmgewandelt ginn, laut dem Konversiounsmechanismus, deen an der Literatur spekuléiert gëtt.
Et gëtt ugeholl, datt d'Beweegung iwwer grouss Distanzen ënner der kathodescher Polariséierung vu Kuelestoffatome geschitt, wouduerch héichkristalliséiert Graphit an amorph Kuelestoff ëmgeännert muss ginn. Synthetesch Graphit huet eng eenzegaarteg Nanostruktur vun de Bléieblieder, déi vun Sauerstoffatome profitéiert. Awer et ass net kloer, wéi d'Nanometerstruktur vum Graphit beaflosst gëtt, wéi zum Beispill d'Reaktioun vum Sauerstoff vum Kuelestoffatom bei der Kathod, etc.
Am Moment ass d'Fuerschung iwwer de Mechanismus nach an der Ufanksphase, a weider Fuerschung ass néideg.
1.3 Morphologesch Charakteriséierung vu syntheteschem Graphit
SEM gëtt benotzt fir d'mikroskopesch Uewerflächenmorphologie vu Graphit ze observéieren, TEM gëtt benotzt fir d'Strukturmorphologie vu manner wéi 0,2 μm ze observéieren, XRD a Raman-Spektroskopie sinn déi heefegst benotzt Mëttele fir d'Mikrostruktur vu Graphit ze charakteriséieren, XRD gëtt benotzt fir d'Kristallinformatioun vu Graphit ze charakteriséieren, an d'Raman-Spektroskopie gëtt benotzt fir d'Defekter an den Uerdnungsgrad vu Graphit ze charakteriséieren.
Et gi vill Poren am Graphit, deen duerch Kathodepolarisatioun vun der Elektrolyse vu geschmollte Salz hiergestallt gëtt. Fir verschidde Rohmaterialien, wéi zum Beispill d'Elektrolyse vu Kuelestoffschwaarz, ginn blatfërmeg poréis Nanostrukture kritt. XRD- an Raman-Spektrumanalyse ginn um Kuelestoffschwaarz no der Elektrolyse duerchgefouert.
Bei 827 ℃, nodeems et 1 Stonn mat enger Spannung vun 2,6 V behandelt gouf, ass d'Raman-Spektralbild vum Kuelestoff bal d'selwecht wéi dat vum kommerzielle Graphit. Nodeems de Kuelestoff mat verschiddenen Temperaturen behandelt gouf, gëtt de schaarfe Graphitcharakteristikspëtz (002) gemooss. Den Diffraktiounspëtz (002) representéiert de Grad vun der Orientéierung vun der aromatescher Kuelestoffschicht am Graphit.
Wat méi schaarf d'Kuelestoffschicht ass, wat méi orientéiert ass se.
Den Zhu huet déi gereinegt mannerwäerteg Kuel als Kathod am Experiment benotzt, an d'Mikrostruktur vum graphitiséierte Produkt gouf vun enger granulärer zu enger grousser Graphitstruktur transforméiert, an déi dicht Graphitschicht gouf och ënner dem Héichgeschwindegkeets-Transmissiounselektronemikroskop observéiert.
An de Raman-Spektren huet sech och den ID/Ig-Wäert mat der Ännerung vun den experimentellen Konditiounen geännert. Wéi d'Elektrolyteschtemperatur 950 ℃ war, war d'Elektrolyteschzäit 6 Stonnen an d'Elektrolytesch Spannung 2,6 V, war den niddregsten ID/Ig-Wäert 0,3 an den D-Peak war vill méi niddreg wéi de G-Peak. Gläichzäiteg huet d'Erscheinung vun engem 2D-Peak och d'Bildung vun enger héich geuerdneter Graphitstruktur duergestallt.
De schaarfe (002) Diffraktiounspeak am XRD-Bild bestätegt och déi erfollegräich Ëmwandlung vun inferiorer Kuel a Graphit mat héijer Kristallinitéit.
Beim Graphitisierungsprozess spille d'Erhéijung vun der Temperatur an der Spannung eng fördernd Roll, awer eng ze héich Spannung reduzéiert d'Ausbezuelung vu Graphit, an eng ze héich Temperatur oder eng ze laang Graphitisierungszäit féieren zu enger Verschwendung vu Ressourcen. Dofir ass et fir verschidde Kuelestoffmaterialien besonnesch wichteg, déi passendst elektrolytesch Konditiounen z'ënnersichen, wat och de Schwéierpunkt an d'Schwieregkeet ass.
Dës bléieblatfërmeg Flacke-Nanostruktur huet exzellent elektrochemesch Eegeschaften. Eng grouss Zuel vu Poren erlaabt et, datt Ionen séier agebaut/ausgebéit ginn, wat héichwäerteg Kathodematerialien fir Batterien etc. liwwert. Dofir ass d'elektrochemesch Method Graphitiséierung eng ganz potenziell Graphitiséierungsmethod.
Method vun der geschmollte Salzelektrodepositioun
2.1 Elektrodepositioun vu Kuelendioxid
Als dat wichtegst Treibhausgas ass CO2 och eng net-gëfteg, harmlos, bëlleg an einfach verfügbar erneierbar Ressource. Wéi och ëmmer, de Kuelestoff am CO2 ass am héchsten Oxidatiounszoustand, sou datt CO2 eng héich thermodynamesch Stabilitéit huet, wat et schwéier mécht, en nei ze benotzen.
Déi fréist Fuerschung iwwer CO2-Elektroofsetzung geet op d'1960er Joren zréck. Ingram et al. hunn erfollegräich Kuelestoff op Goldelektrode am geschmollte Salzsystem Li2CO3-Na2CO3-K2CO3 virbereet.
De Van et al. hunn drop higewisen, datt d'Kuelestoffpulver, déi bei verschiddene Reduktiounspotenzialer kritt goufen, ënnerschiddlech Strukturen haten, dorënner Graphit, amorphe Kuelestoff a Kuelestoff-Nanofasern.
Duerch d'Erfassung vu geschmolltem Salz fir CO2 an d'Virbereedungsmethod vum Kuelestoffmaterial ass et erfolgreich, nodeems d'Wëssenschaftler sech laang op de Mechanismus vun der Bildung vu Kuelestoffoflagerungen an den Effekt vun den Elektrolysebedingungen op d'Endprodukt konzentréiert hunn, dorënner d'elektrolytesch Temperatur, d'elektrolytesch Spannung an d'Zesummesetzung vum geschmollte Salz an den Elektroden, an domat eng zolidd Basis fir d'Virbereedung vun héichperformante Graphitmaterialien fir d'Elektroofsetzung vu CO2 geluecht hunn.
Indem si den Elektrolyt geännert hunn an e CaCl2-baséiert geschmollte Salzsystem mat enger méi héijer CO2-Offangseffizienz benotzt hunn, hunn den Hu et al. erfollegräich Graphen mat engem méi héije Graphitiséierungsgrad a Kuelestoffnanoröhrchen an aner Nanographitstrukture preparéiert, andeems si elektrolytesch Konditiounen wéi Elektrolysetemperatur, Elektrodenzesummesetzung an Zesummesetzung vum geschmollte Salz studéiert hunn.
Am Verglach mam Karbonatsystem huet CaCl2 d'Virdeeler vu bëllegem an einfachem Erhältnis, héijer Konduktivitéit, einfacher Waasserléislechkeet a méi héijer Léislechkeet vu Sauerstoffionen, déi theoretesch Konditioune fir d'Ëmwandlung vu CO2 a Graphitprodukter mat héijem Mehrwäert schafen.
2.2 Transformatiounsmechanismus
D'Virbereedung vu Kuelestoffmaterialien mat héijem Wäert duerch Elektrodepositioun vu CO2 aus geschmolltem Salz ëmfaasst haaptsächlech d'CO2-Erfassung an indirekt Reduktioun. D'Erfassung vu CO2 gëtt duerch fräien O2- am geschmollte Salz ofgeschloss, wéi an der Equatioun (1) gewisen:
CO2+O2-→CO3 2- (1)
Am Moment goufen dräi indirekt Reduktiounsreaktiounsmechanismen proposéiert: Eenstufsreaktioun, Zweistufsreaktioun a Metallreduktiounsreaktiounsmechanismus.
De Mechanismus vun der Eenstuf-Reaktioun gouf fir d'éischt vum Ingram proposéiert, wéi an der Equatioun (2) gewisen:
CO3 2-+ 4E – →C+3O2- (2)
Den zwee-Schrëtt-Reaktiounsmechanismus gouf vum Borucka et al. virgeschloen, wéi an der Equatioun (3-4) gewisen:
CO3 2-+ 2E – →CO2 2-+O2- (3)
CO2 2-+ 2E – →C+2O2- (4)
De Mechanismus vun der Metallreduktiounsreaktioun gouf vum Deanhardt et al. proposéiert. Si hunn gegleeft, datt Metallionen an der Kathod als éischt zu Metall reduzéiert ginn, an duerno gëtt de Metall zu Karbonationen reduzéiert, wéi an der Equatioun (5~6) gewisen:
M- + E – →M (5)
4 m + M2CO3 – > C + 3 m2o (6)
Am Moment ass de Mechanismus vun der Eenstuf-Reaktioun an der existéierender Literatur allgemeng akzeptéiert.
Yin et al. hunn de Li-Na-K Karbonatsystem mat Néckel als Kathod, Zinndioxid als Anod a Sëlwerdrot als Referenzelektrode studéiert, an hunn d'zyklisch Voltammetrie-Testfigur an der Figur 2 (Scanrate vun 100 mV/s) op der Néckelkatod kritt, a festgestallt, datt et nëmmen ee Reduktiounspeak (bei -2,0V) am negativen Scan gouf.
Dofir kann een dovun ausgoen, datt nëmmen eng Reaktioun während der Reduktioun vu Karbonat stattfonnt huet.
Gao et al. hunn déiselwecht zyklisch Voltammetrie am selwechte Karbonatsystem kritt.
De Ge et al. hunn inert Anode an Wolframkatode benotzt fir CO2 am LiCl-Li2CO3 System z'erfänken a krut ähnlech Biller, an nëmmen e Reduktiounspeak vun der Kuelestoffoflagerung ass am negativen Scannen opgetrueden.
Am System mat geschmolltem Alkalimetallsalz ginn Alkalimetaller a CO generéiert, während Kuelestoff vun der Kathod ofgesat gëtt. Well d'thermodynamesch Konditioune vun der Kuelestoffoflagerungsreaktioun awer bei enger méi niddreger Temperatur méi niddreg sinn, kann am Experiment nëmmen d'Reduktioun vu Karbonat zu Kuelestoff nogewise ginn.
2.3 CO2-Erfassung duerch geschmollte Salz fir d'Virbereedung vu Graphitprodukter
Héichwäerteg Graphit-Nanomaterialien, wéi Graphen a Kuelestoffnanoröhrchen, kënnen duerch Elektroofsetzung vu CO2 aus geschmolltem Salz ënner kontrolléierten experimentellen Konditioune hiergestallt ginn. Den Hu et al. hunn Edelstol als Kathod am CaCl2-NaCl-CaO geschmollte Salzsystem benotzt an 4 Stonnen ënner der Bedingung vun 2,6V Konstantspannung bei verschiddenen Temperaturen elektrolyséiert.
Dank der Katalyse vum Eisen an dem explosiven Effekt vum CO tëscht de Graphitschichten gouf Graphen op der Uewerfläch vun der Kathod fonnt. De Virbereedungsprozess vum Graphen ass an der Fig. 3 gewisen.
D'Bild
Spéider Studien hunn Li2SO4 op Basis vum CaCl2-NaClCaO geschmollte Salzsystem bäigefüügt, d'Elektrolysetemperatur louch bei 625 ℃. No 4 Stonnen Elektrolyse goufen gläichzäiteg Graphen a Kuelestoffnanoröhrchen bei der kathodescher Oflagerung vu Kuelestoff fonnt. D'Studie huet festgestallt, datt Li+ an SO42- e positiven Effekt op d'Graphitiséierung hunn.
Schwefel gëtt och erfollegräich an de Kuelestoffkierper integréiert, an ultradënn Graphitplacken a filamentösen Kuelestoff kënnen duerch d'Kontroll vun den elektrolytesche Konditiounen kritt ginn.
Materialien wéi Elektrolyttemperaturen mat héijer an niddreger Temperatur fir d'Bildung vu Graphen si kritesch. Bei Temperaturen iwwer 800 ℃ ass et méi einfach CO amplaz vu Kuelestoff ze generéieren. Bei Temperaturen iwwer 950 ℃ gëtt et bal keng Kuelestoffoflagerung. Dofir ass d'Temperaturkontroll extrem wichteg fir Graphen a Kuelestoffnanoröhrchen ze produzéieren an d'Synergie vun der CO-Reaktioun erëmzestellen, fir sécherzestellen, datt d'Kathode stabil Graphen generéiert.
Dës Aarbechte bidden eng nei Method fir d'Virbereedung vun Nano-Graphitprodukter mat CO2, wat vu grousser Bedeitung fir d'Léisung vu Treibhausgase an d'Virbereedung vu Graphen ass.
3. Resumé an Ausblick
Mat der schneller Entwécklung vun der neier Energieindustrie konnt natierleche Graphit déi aktuell Nofro net méi decken, an künstleche Graphit huet besser physikalesch a chemesch Eegeschafte wéi natierleche Graphit, dofir ass eng bëlleg, effizient an ëmweltfrëndlech Graphitiséierung e laangfristegt Zil.
Elektrochemesch Methoden fir d'Graphitiséierung a festen a gasfërmegen Rohmaterialien mat der Method vun der kathodescher Polariséierung an der elektrochemescher Oflagerung konnten erfollegräich Graphitmaterialien mat engem héije Mehrwäert eraushuelen. Am Verglach mat der traditioneller Graphitiséierungsmethod ass déi elektrochemesch Method méi effizient, méi niddreg Energieverbrauch a gréng Ëmweltschutz, a limitéiert sech op kleng Materialien zur selwechter Zäit. No de verschiddenen Elektrolysebedingungen kënnen d'Materialien ënner verschiddene Morphologien a Strukturen vun der Graphit hiergestallt ginn.
Et bitt eng effektiv Méiglechkeet fir all Zorte vun amorphem Kuelestoff a Treibhausgase a wäertvoll nanostrukturéiert Graphitmaterialien ëmzewandelen an huet gutt Uwendungsaussichten.
Aktuell ass dës Technologie nach an hire Kannerjoren. Et gëtt wéineg Studien iwwer d'Graphitiséierung duerch elektrochemesch Method, an et gëtt nach ëmmer vill onbekannt Prozesser. Dofir ass et néideg, mat Rohmaterialien unzefänken an eng ëmfaassend a systematesch Studie iwwer verschidden amorph Kuelestoffatomer duerchzeféieren, an zur selwechter Zäit d'Thermodynamik an d'Dynamik vun der Graphitkonversioun op engem méi déifen Niveau z'ënnersichen.
Dës hunn wäitreechend Bedeitung fir d'Zukunft vun der Graphitindustrie.
Zäitpunkt vun der Verëffentlechung: 10. Mee 2021