Mae graffit wedi'i rannu'n graffit artiffisial a graffit naturiol, gyda chronfeydd profedig y byd o graffit naturiol tua 2 biliwn tunnell.
Ceir graffit artiffisial trwy ddadelfennu a thrin gwres deunyddiau sy'n cynnwys carbon o dan bwysau arferol. Mae'r trawsnewidiad hwn yn gofyn am dymheredd ac egni digon uchel fel y grym gyrru, a bydd y strwythur anhrefnus yn cael ei drawsnewid yn strwythur grisial graffit trefnus.
Graffiteiddio, yn yr ystyr ehangaf o ddeunydd carbonaidd, yw trwy driniaeth wres tymheredd uchel uwchlaw 2000 ℃, aildrefnu atomau carbon, fodd bynnag, mae rhai deunyddiau carbon yn graffiteiddio tymheredd uchel uwchlaw 3000 ℃, ac mae'r math hwn o ddeunydd carbon yn cael ei adnabod fel "siarcol caled". Ar gyfer deunyddiau carbon hawdd eu graffiteiddio, mae'r dull graffiteiddio traddodiadol yn cynnwys y dull tymheredd uchel a phwysau uchel, graffiteiddio catalytig, dull dyddodiad anwedd cemegol, ac ati.
Mae graffiteiddio yn ffordd effeithiol o ddefnyddio deunyddiau carbonaidd â gwerth ychwanegol uchel. Ar ôl ymchwil helaeth a manwl gan ysgolheigion, mae bellach yn aeddfed i raddau helaeth. Fodd bynnag, mae rhai ffactorau anffafriol yn cyfyngu ar gymhwyso graffiteiddio traddodiadol mewn diwydiant, felly mae'n duedd anochel i archwilio dulliau graffiteiddio newydd.
Mae dull electrolysis halen tawdd wedi bod yn fwy na chanrif o ddatblygiad ers y 19eg ganrif, ac mae ei theori sylfaenol a'i ddulliau newydd yn cael eu harloesi a'u datblygu'n gyson. Nid yw bellach wedi'i gyfyngu i'r diwydiant metelegol traddodiadol. Ar ddechrau'r 21ain ganrif, mae paratoi metelau elfennol ar gyfer lleihau electrolytig ocsid solet mewn system halen tawdd wedi dod yn ffocws yn y maes mwy gweithredol.
Yn ddiweddar, mae dull newydd ar gyfer paratoi deunyddiau graffit trwy electrolysis halen tawdd wedi denu llawer o sylw.
Drwy gyfrwng polareiddio cathodig ac electrodyddodiad, mae'r ddau fath gwahanol o ddeunyddiau crai carbon yn cael eu trawsnewid yn ddeunyddiau nano-graffit â gwerth ychwanegol uchel. O'i gymharu â'r dechnoleg graffiteiddio draddodiadol, mae gan y dull graffiteiddio newydd fanteision tymheredd graffiteiddio is a morffoleg y gellir ei rheoli.
Mae'r papur hwn yn adolygu cynnydd graffiteiddio trwy'r dull electrocemegol, yn cyflwyno'r dechnoleg newydd hon, yn dadansoddi ei manteision a'i hanfanteision, ac yn rhagweld ei thuedd datblygu yn y dyfodol.
Yn gyntaf, dull polareiddio catod electrolytig halen tawdd
1.1 y deunydd crai
Ar hyn o bryd, prif ddeunydd crai graffit artiffisial yw golosg nodwydd a golosg pic o radd graffiteiddio uchel, sef trwy'r gweddillion olew a thar glo fel deunydd crai i gynhyrchu deunyddiau carbon o ansawdd uchel, gyda mandylledd isel, sylffwr isel, cynnwys lludw isel a manteision graffiteiddio, ar ôl ei baratoi'n graffit mae ganddo wrthwynebiad da i effaith, cryfder mecanyddol uchel, gwrthiant isel,
Fodd bynnag, mae cronfeydd olew cyfyngedig a phrisiau olew anwadal wedi cyfyngu ar ei ddatblygiad, felly mae chwilio am ddeunyddiau crai newydd wedi dod yn broblem frys i'w datrys.
Mae gan ddulliau graffiteiddio traddodiadol gyfyngiadau, ac mae gwahanol ddulliau graffiteiddio yn defnyddio gwahanol ddeunyddiau crai. Ar gyfer carbon heb ei graffiteiddio, prin y gall dulliau traddodiadol ei graffiteiddio, tra bod fformiwla electrogemegol electrolysis halen tawdd yn torri trwy gyfyngiad deunyddiau crai, ac mae'n addas ar gyfer bron pob deunydd carbon traddodiadol.
Mae deunyddiau carbon traddodiadol yn cynnwys carbon du, carbon wedi'i actifadu, glo, ac ati, ac ymhlith y rhain glo yw'r mwyaf addawol. Mae'r inc sy'n seiliedig ar lo yn cymryd glo fel y rhagflaenydd ac yn cael ei baratoi'n gynhyrchion graffit ar dymheredd uchel ar ôl ei drin ymlaen llaw.
Yn ddiweddar, mae'r papur hwn yn cynnig dulliau electrocemegol newydd, fel Peng, sy'n annhebygol o graffiteiddio carbon du yn grisialeiddio graffit uchel trwy electrolysis halen tawdd. Mae gan electrolysis samplau graffit sy'n cynnwys sglodion nanometr graffit siâp petal arwynebedd penodol uchel, a phan gaiff ei ddefnyddio ar gyfer catod batri lithiwm, dangosodd berfformiad electrocemegol rhagorol yn fwy na graffit naturiol.
Rhoddodd Zhu et al. y glo o ansawdd isel a gafodd ei drin â dad-ludw i mewn i system halen tawdd CaCl2 ar gyfer electrolysis ar 950 ℃, a llwyddon nhw i drawsnewid y glo o ansawdd isel yn graffit â chrisialedd uchel, a ddangosodd berfformiad cyfradd da a bywyd cylch hir pan gafodd ei ddefnyddio fel anod batri ïon lithiwm.
Mae'r arbrawf yn dangos ei bod hi'n ymarferol trosi gwahanol fathau o ddeunyddiau carbon traddodiadol yn graffit trwy electrolysis halen tawdd, sy'n agor ffordd newydd ar gyfer graffit synthetig yn y dyfodol.
1.2 y mecanwaith o
Mae dull electrolysis halen tawdd yn defnyddio deunydd carbon fel catod ac yn ei drawsnewid yn graffit â chrisialedd uchel trwy bolareiddio cathodig. Ar hyn o bryd, mae llenyddiaeth bresennol yn sôn am gael gwared ar ocsigen ac aildrefnu atomau carbon dros bellter hir yn y broses drawsnewid bosibl o bolareiddio cathodig.
Bydd presenoldeb ocsigen mewn deunyddiau carbon yn rhwystro graffiteiddio i ryw raddau. Yn y broses graffiteiddio draddodiadol, bydd ocsigen yn cael ei dynnu'n araf pan fydd y tymheredd yn uwch na 1600K. Fodd bynnag, mae'n hynod gyfleus dadocsideiddio trwy bolareiddio cathodig.
Yn yr arbrofion am y tro cyntaf, cyflwynodd Peng ac ati fecanwaith potensial polareiddio cathodig electrolysis halen tawdd, sef y man cychwyn mwyaf ar gyfer graffiteiddio yw bod y rhyngwyneb microsfferau carbon solet/electrolyt yn ffurfio, yn gyntaf mae'r microsffer carbon yn ffurfio o amgylch cragen graffit sylfaenol o'r un diamedr, ac yna nid yw atomau carbon anhydrus sefydlog yn lledaenu i naddion graffit allanol mwy sefydlog, nes bod y graffiteiddio wedi'i wneud yn llwyr.
Mae'r broses graffiteiddio yn cyd-fynd â chael gwared ar ocsigen, sydd hefyd wedi'i gadarnhau gan arbrofion.
Profodd Jin et al. y safbwynt hwn hefyd drwy arbrofion. Ar ôl carboneiddio glwcos, cynhaliwyd graffiteiddio (cynnwys ocsigen o 17%). Ar ôl graffiteiddio, ffurfiodd y sfferau carbon solet gwreiddiol (Ffig. 1a ac 1c) gragen mandyllog wedi'i gwneud o nanosheetiau graffit (Ffig. 1b ac 1d).
Drwy electrolysis ffibrau carbon (16% ocsigen), gellir trosi'r ffibrau carbon yn diwbiau graffit ar ôl graffiteiddio yn ôl y mecanwaith trosi a ddyfalir yn y llenyddiaeth.
Credir bod symud pellter hir o dan bolareiddio cathodig atomau carbon, rhaid i'r broses aildrefnu graffit grisial uchel i garbon amorffaidd gael ei hail-drefnu, ac mae siâp petalau unigryw graffit synthetig yn elwa o atomau ocsigen, ond nid yw'r union sut i ddylanwadu ar strwythur nanometr graffit yn glir, fel sut mae ocsigen yn dod o'r sgerbwd carbon ar ôl y catod, ac ati.
Ar hyn o bryd, mae'r ymchwil ar y mecanwaith yn dal i fod yn y cyfnod cychwynnol, ac mae angen ymchwil pellach.
1.3 Nodweddiad morffolegol graffit synthetig
Defnyddir SEM i arsylwi morffoleg arwyneb microsgopig graffit, defnyddir TEM i arsylwi morffoleg strwythurol llai na 0.2 μm, sbectrosgopeg XRD a Raman yw'r dulliau a ddefnyddir amlaf i nodweddu microstrwythur graffit, defnyddir XRD i nodweddu gwybodaeth grisial graffit, a defnyddir sbectrosgopeg Raman i nodweddu diffygion a gradd trefn graffit.
Mae llawer o fandyllau yn y graffit a baratoir gan bolareiddio catod electrolysis halen tawdd. Ar gyfer gwahanol ddeunyddiau crai, fel electrolysis carbon du, ceir nanostrwythurau mandyllog tebyg i betal. Cynhelir dadansoddiad sbectrwm XRD a Raman ar y carbon du ar ôl electrolysis.
Ar 827 ℃, ar ôl cael ei drin â foltedd 2.6V am 1 awr, mae delwedd sbectrol Raman o garbon du bron yr un fath â delwedd graffit masnachol. Ar ôl trin y carbon du â thymheredd gwahanol, mesurir y brig nodweddiadol graffit miniog (002). Mae'r brig diffractiad (002) yn cynrychioli gradd cyfeiriadedd yr haen carbon aromatig mewn graffit.
Po fwyaf miniog yw'r haen garbon, y mwyaf cyfeiriadol ydyw.
Defnyddiodd Zhu y glo israddol wedi'i buro fel y catod yn yr arbrawf, a thrawsnewidiwyd microstrwythur y cynnyrch graffitedig o strwythur gronynnog i strwythur graffit mawr, a gwelwyd yr haen graffit dynn hefyd o dan y microsgop electron trosglwyddo cyfradd uchel.
Yn y sbectrwm Raman, gyda newid amodau arbrofol, newidiodd y gwerth ID/Ig hefyd. Pan oedd y tymheredd electrolytig yn 950 ℃, roedd yr amser electrolytig yn 6 awr, ac roedd y foltedd electrolytig yn 2.6V, y gwerth ID/Ig isaf oedd 0.3, ac roedd y brig D yn llawer is na'r brig G. Ar yr un pryd, roedd ymddangosiad y brig 2D hefyd yn cynrychioli ffurfio strwythur graffit trefnus iawn.
Mae'r brig diffractiad miniog (002) yn y ddelwedd XRD hefyd yn cadarnhau trosi llwyddiannus glo israddol yn graffit â chrisialedd uchel.
Yn y broses graffiteiddio, bydd cynnydd mewn tymheredd a foltedd yn chwarae rhan hyrwyddo, ond bydd foltedd rhy uchel yn lleihau cynnyrch graffit, a bydd tymheredd rhy uchel neu amser graffiteiddio rhy hir yn arwain at wastraff adnoddau, felly ar gyfer gwahanol ddeunyddiau carbon, mae'n arbennig o bwysig archwilio'r amodau electrolytig mwyaf priodol, sydd hefyd yn ffocws ac yn anhawster.
Mae gan y nanostrwythur naddion tebyg i betal hwn briodweddau electrocemegol rhagorol. Mae nifer fawr o mandyllau yn caniatáu i ïonau gael eu mewnosod/eu dad-ymgorffori'n gyflym, gan ddarparu deunyddiau catod o ansawdd uchel ar gyfer batris, ac ati. Felly, mae'r dull electrocemegol graffiteiddio yn ddull graffiteiddio potensial iawn.
Dull electrodeposition halen tawdd
2.1 Electrodyddodiad carbon deuocsid
Fel y nwy tŷ gwydr pwysicaf, mae CO2 hefyd yn adnodd adnewyddadwy nad yw'n wenwynig, yn ddiniwed, yn rhad ac yn hawdd ei gael. Fodd bynnag, mae carbon mewn CO2 yn y cyflwr ocsideiddio uchaf, felly mae gan CO2 sefydlogrwydd thermodynamig uchel, sy'n ei gwneud hi'n anodd ei ailddefnyddio.
Gellir olrhain yr ymchwil gynharaf ar electrodyddodiad CO2 yn ôl i'r 1960au. Llwyddodd Ingram et al. i baratoi carbon ar electrod aur yn y system halen tawdd Li2CO3-Na2CO3-K2CO3.
Nododd Van et al. fod gan y powdrau carbon a gafwyd ar wahanol botensialau lleihau strwythurau gwahanol, gan gynnwys graffit, carbon amorffaidd a nanoffibrau carbon.
Drwy ddefnyddio halen tawdd i ddal CO2 a dull paratoi deunydd carbon llwyddiannus, ar ôl cyfnod hir o ymchwil, mae ysgolheigion wedi canolbwyntio ar fecanwaith ffurfio dyddodiad carbon ac effaith amodau electrolysis ar y cynnyrch terfynol, gan gynnwys tymheredd electrolytig, foltedd electrolytig a chyfansoddiad halen tawdd ac electrodau, ac ati, mae paratoi deunyddiau graffit perfformiad uchel ar gyfer electrodyddodiad CO2 wedi gosod sylfaen gadarn.
Drwy newid yr electrolyt a defnyddio system halen tawdd wedi'i seilio ar CaCl2 gydag effeithlonrwydd dal CO2 uwch, llwyddodd Hu et al. i baratoi graffen gyda gradd graffiteiddio uwch a nanotiwbiau carbon a strwythurau nanograffit eraill drwy astudio amodau electrolytig megis tymheredd electrolysis, cyfansoddiad electrod a chyfansoddiad halen tawdd.
O'i gymharu â system garbonad, mae gan CaCl2 fanteision rhad a hawdd ei gael, dargludedd uchel, hawdd ei doddi mewn dŵr, a hydoddedd uwch ïonau ocsigen, sy'n darparu amodau damcaniaethol ar gyfer trosi CO2 yn gynhyrchion graffit â gwerth ychwanegol uchel.
2.2 Mecanwaith Trawsnewid
Mae paratoi deunyddiau carbon gwerth ychwanegol uchel trwy electrodyddodiad CO2 o halen tawdd yn cynnwys dal CO2 a lleihau anuniongyrchol yn bennaf. Mae dal CO2 yn cael ei gwblhau gan O2- rhydd mewn halen tawdd, fel y dangosir yn Hafaliad (1):
CO2+O2-→CO3 2- (1)
Ar hyn o bryd, cynigiwyd tri mecanwaith adwaith lleihau anuniongyrchol: adwaith un cam, adwaith dau gam a mecanwaith adwaith lleihau metel.
Cynigiwyd y mecanwaith adwaith un cam gyntaf gan Ingram, fel y dangosir yn Hafaliad (2):
CO3 2-+ 4E – →C+3O2- (2)
Cynigiwyd y mecanwaith adwaith dau gam gan Borucka et al., fel y dangosir yn Hafaliad (3-4):
CO3 2-+ 2E – →CO2 2-+O2- (3)
CO2 2-+ 2E – →C+2O2- (4)
Cynigiwyd mecanwaith adwaith lleihau metel gan Deanhardt et al. Roeddent yn credu bod ïonau metel yn cael eu lleihau i fetel yn y catod yn gyntaf, ac yna'n cael y metel ei leihau i ïonau carbonad, fel y dangosir yn Hafaliad (5~6):
M- + E – →M (5)
4 m + M2CO3 – > C + 3 m2o (6)
Ar hyn o bryd, mae'r mecanwaith adwaith un cam yn cael ei dderbyn yn gyffredinol yn y llenyddiaeth bresennol.
Astudiodd Yin et al. y system carbonad Li-Na-K gyda nicel fel catod, tun deuocsid fel anod a gwifren arian fel electrod cyfeirio, a chawsant y ffigur prawf foltametreg cylchol yn Ffigur 2 (cyfradd sganio o 100 mV/s) wrth y catod nicel, a chanfod mai dim ond un brig gostyngiad oedd (ar -2.0V) yn y sganio negyddol.
Felly, gellir dod i'r casgliad mai dim ond un adwaith a ddigwyddodd yn ystod lleihau carbonad.
Cafodd Gao et al. yr un foltametreg gylchol yn yr un system garbonad.
Defnyddiodd Ge et al. anod anadweithiol a chatod twngsten i ddal CO2 yn y system LiCl-Li2CO3 a chawsant ddelweddau tebyg, a dim ond brig gostyngiad o ddyddodiad carbon a ymddangosodd yn y sganio negyddol.
Yn y system halen tawdd metel alcalïaidd, bydd metelau alcalïaidd a CO yn cael eu cynhyrchu tra bod carbon yn cael ei ddyddodi gan y catod. Fodd bynnag, oherwydd bod amodau thermodynamig yr adwaith dyddodi carbon yn is ar dymheredd is, dim ond y gostyngiad o garbonad i garbon y gellir ei ganfod yn yr arbrawf.
2.3 Dal CO2 gan halen tawdd i baratoi cynhyrchion graffit
Gellir paratoi nanoddeunyddiau graffit gwerth ychwanegol uchel fel graffen a nanotiwbiau carbon trwy electrodyddodiad CO2 o halen tawdd gan reoli amodau arbrofol. Defnyddiodd Hu et al. ddur di-staen fel catod yn y system halen tawdd CaCl2-NaCl-CaO ac electrolyswyd am 4 awr o dan yr amod foltedd cyson o 2.6V ar dymheredd gwahanol.
Diolch i gatalysis haearn ac effaith ffrwydrol CO rhwng haenau graffit, canfuwyd graffen ar wyneb y catod. Dangosir y broses baratoi ar gyfer graffen yn Ffig. 3.
Y llun
Yn ddiweddarach, ychwanegwyd Li2SO4 ar sail system halen tawdd CaCl2-NaClCaO, gyda thymheredd electrolysis o 625 ℃. Ar ôl 4 awr o electrolysis, a chanfuwyd graffin a nanotubiau carbon wrth ddyddodi carbon yn y cathod, canfuwyd bod Li+ a SO42- yn cael effaith gadarnhaol ar graffiteiddio.
Mae sylffwr hefyd wedi'i integreiddio'n llwyddiannus i'r corff carbon, a gellir cael dalennau graffit ultra-denau a charbon ffilamentog trwy reoli'r amodau electrolytig.
Mae tymheredd electrolytig uchel ac isel deunyddiau fel hyn yn hanfodol ar gyfer ffurfio graffen. Pan fydd y tymheredd yn uwch na 800 ℃, mae'n haws cynhyrchu CO yn lle carbon. Nid oes bron unrhyw ddyddodiad carbon pan fydd yn uwch na 950 ℃, felly mae rheoli tymheredd yn hynod bwysig i gynhyrchu graffen a nanotubiau carbon, ac adfer synergedd adwaith CO i sicrhau bod y catod yn cynhyrchu graffen sefydlog.
Mae'r gweithiau hyn yn darparu dull newydd ar gyfer paratoi cynhyrchion nano-graffit gan ddefnyddio CO2, sydd o arwyddocâd mawr ar gyfer datrys nwyon tŷ gwydr a pharatoi graffen.
3. Crynodeb a Rhagolwg
Gyda datblygiad cyflym y diwydiant ynni newydd, nid yw graffit naturiol wedi gallu bodloni'r galw presennol, ac mae gan graffit artiffisial briodweddau ffisegol a chemegol gwell na graffit naturiol, felly mae graffiteiddio rhad, effeithlon a chyfeillgar i'r amgylchedd yn nod hirdymor.
Dulliau electrocemegol graffiti mewn deunyddiau crai solet a nwyol gyda'r dull polareiddio cathodig a dyddodiad electrocemegol Llwyddwyd i dynnu'r deunyddiau graffit â gwerth ychwanegol uchel allan o'r deunyddiau graffit yn llwyddiannus, o'i gymharu â'r ffordd draddodiadol o graffiti, mae'r dull electrocemegol o effeithlonrwydd uwch, defnydd ynni is, diogelu'r amgylchedd gwyrdd, ar gyfer cyfyngedig bach gan ddeunyddiau dethol ar yr un pryd, yn ôl y gwahanol amodau electrolysis gellir paratoi gwahanol forffoleg strwythur graffit,
Mae'n darparu ffordd effeithiol i bob math o garbon amorffaidd a nwyon tŷ gwydr gael eu trosi'n ddeunyddiau graffit nanostrictwredig gwerthfawr ac mae ganddo ragolygon cymhwysiad da.
Ar hyn o bryd, mae'r dechnoleg hon yn ei dyddiau cynnar. Ychydig o astudiaethau sydd ar graffiteiddio trwy'r dull electrocemegol, ac mae yna lawer o brosesau anhysbys o hyd. Felly, mae angen dechrau o ddeunyddiau crai a chynnal astudiaeth gynhwysfawr a systematig ar wahanol garbonau amorffaidd, ac ar yr un pryd archwilio thermodynameg a dynameg trosi graffit ar lefel ddyfnach.
Mae gan y rhain arwyddocâd pellgyrhaeddol ar gyfer datblygiad y diwydiant graffit yn y dyfodol.
Amser postio: Mai-10-2021