A grafite hè divisa in grafite artificiale è grafite naturale, e riserve mundiali pruvate di grafite naturale sò circa 2 miliardi di tunnellate.
A grafite artificiale hè ottenuta da a decomposizione è u trattamentu termicu di materiali chì cuntenenu carbone sottu pressione nurmale. Sta trasfurmazione richiede una temperatura è una energia abbastanza elevate cum'è forza motrice, è a struttura disordinata serà trasfurmata in una struttura cristallina di grafite ordinata.
A grafitizazione hè, in u sensu più largu, u materiale carbonaceu per via di un trattamentu termicu à alta temperatura sopra i 2000 ℃, riarrangiamentu di l'atomi di carbonu. Tuttavia, certi materiali di carbonu sò grafitizzati à alta temperatura sopra i 3000 ℃. Stu tipu di materiale di carbonu hè cunnisciutu cum'è "carbone duru". Per i materiali di carbonu facili da grafitizà, u metudu tradiziunale di grafitizazione include u metudu à alta temperatura è alta pressione, a grafitizazione catalitica, u metudu di deposizione chimica da vapore, ecc.
A grafitizazione hè un mezzu efficace per l'utilizazione di materiali carbonacei à altu valore aghjuntu. Dopu à una ricerca approfondita è approfondita da parte di i studiosi, hè diventata praticamente matura avà. Tuttavia, certi fattori sfavorevoli limitanu l'applicazione di a grafitizazione tradiziunale in l'industria, dunque hè una tendenza inevitabile esplorà novi metudi di grafitizazione.
U metudu di l'elettrolisi di i sali fusi dapoi u XIX seculu hè statu più di un seculu di sviluppu, a so teoria basica è i novi metudi sò in costante innovazione è sviluppu, avà ùn hè più limitatu à l'industria metallurgica tradiziunale, à l'iniziu di u XXI seculu, u metallu in u sistema di sali fusi a preparazione di riduzione elettrolitica di l'ossidu solidu di i metalli elementari hè diventata u focu in u più attivu,
Recentemente, un novu metudu per a preparazione di materiali di grafite per elettrolisi di sali fusi hà attiratu molta attenzione.
Per mezu di a polarizazione catodica è di l'elettrodeposizione, e duie forme diverse di materie prime di carbone sò trasformate in materiali di nanografite cù un altu valore aghjuntu. In paragone cù a tecnulugia tradiziunale di grafitizazione, u novu metudu di grafitizazione hà i vantaghji di una temperatura di grafitizazione più bassa è di una morfologia cuntrullata.
Questu articulu esamina u prugressu di a grafitizazione per metudu elettrochimicu, introduce sta nova tecnulugia, analizza i so vantaghji è svantaghji, è prevede a so tendenza di sviluppu futuru.
Prima, u metudu di polarizazione di u catodu elettroliticu di u sale fusu
1.1 a materia prima
Attualmente, a principale materia prima di a grafite artificiale hè u coke d'agulla è u coke di pece di altu gradu di grafitizazione, vale à dì da i residui d'oliu è u catrame di carbone cum'è materia prima per pruduce materiali di carbone di alta qualità, cù bassa porosità, bassu zolfu, bassu cuntenutu di cenere è vantaghji di a grafitizazione, dopu a so preparazione in grafite hà una bona resistenza à l'impattu, alta resistenza meccanica, bassa resistività,
Tuttavia, e riserve limitate di petroliu è i prezzi fluttuanti di u petroliu anu limitatu u so sviluppu, dunque a ricerca di nuove materie prime hè diventata un prublema urgente da risolve.
I metudi tradiziunali di grafitizazione anu limitazioni, è diversi metudi di grafitizazione utilizanu diverse materie prime. Per u carbone micca grafitizatu, i metudi tradiziunali ùn ponu guasi grafitizallu, mentre chì a formula elettrochimica di l'elettrolisi di sali fusi rompe a limitazione di e materie prime, è hè adatta per guasi tutti i materiali di carbone tradiziunali.
I materiali tradiziunali di carbone includenu u neru di carbone, u carbone attivatu, u carbone, ecc., frà i quali u carbone hè u più promettente. L'inchiostru à basa di carbone piglia u carbone cum'è precursore è hè preparatu in prudutti di grafite à alta temperatura dopu u pretrattamentu.
Recentemente, questu articulu prupone novi metudi elettrochimichi, cum'è Peng, per elettrolisi di sali fusi hè improbabile chì u neru di carbone sia grafitizatu in l'alta cristallinità di a grafite, l'elettrolisi di campioni di grafite chì cuntenenu chips di nanometri di grafite in forma di petalu, hà una superficia specifica elevata, quandu hè aduprata per u catodu di a batteria à u litiu hà mostratu eccellenti prestazioni elettrochimiche più cà a grafite naturale.
Zhu et al. anu messu u carbone di bassa qualità trattatu per a de-cenere in un sistema di sali fusi di CaCl2 per l'elettrolisi à 950 ℃, è anu trasfurmatu cù successu u carbone di bassa qualità in grafite cù alta cristallinità, chì hà mostratu una bona prestazione di velocità è una longa durata di ciclu quandu hè adupratu cum'è anodu di batteria à ioni di litiu.
L'esperimentu mostra chì hè fattibile di cunvertisce diversi tipi di materiali di carbone tradiziunali in grafite per mezu di l'elettrolisi di sali fusi, ciò chì apre una nova strada per a futura grafite sintetica.
1.2 u mecanismu di
U metudu di l'elettrolisi di i sali fusi usa u materiale di carbone cum'è catodu è u cunverte in grafite cù alta cristallinità per mezu di a polarizazione catodica. Attualmente, a literatura esistente menziona a rimuzione di l'ossigenu è u riarrangiamentu à longa distanza di l'atomi di carbone in u prucessu di cunversione potenziale di a polarizazione catodica.
A prisenza d'ossigenu in i materiali di carbone impedisce a grafitizazione in una certa misura. In u prucessu di grafitizazione tradiziunale, l'ossigenu serà eliminatu lentamente quandu a temperatura hè superiore à 1600K. Tuttavia, hè estremamente cunveniente di disossidà per via di a polarizazione catodica.
Peng, ecc. in l'esperimenti per a prima volta anu messu in risaltu u mecanismu potenziale di polarizazione catodica di l'elettrolisi di sali fusi, vale à dì a grafitizazione u locu di partenza hè di esse situatu in l'interfaccia microsfere di carbone solidu / elettrolitu, prima si formanu microsfere di carbone intornu à una cunchiglia di grafite di u listessu diametru basicu, è dopu l'atomi di carbone anidru mai stabili si sparghjenu in fiocchi di grafite esterni più stabili, finu à chì sò cumpletamente grafitizzati.
U prucessu di grafitizazione hè accumpagnatu da a rimuzione di l'ossigenu, ciò chì hè ancu cunfirmatu da l'esperimenti.
Jin et al. anu ancu dimustratu questu puntu di vista per mezu di esperimenti. Dopu a carbonizazione di u glucosiu, hè stata realizata a grafitizazione (17% di cuntenutu d'ossigenu). Dopu a grafitizazione, e sfere di carbone solidu originali (Fig. 1a è 1c) anu furmatu un gusciu porosu cumpostu da nanosheets di grafite (Fig. 1b è 1d).
Per elettrolisi di fibre di carbone (16% ossigenu), e fibre di carbone ponu esse cunvertite in tubi di grafite dopu a grafitizazione secondu u mecanismu di cunversione speculatu in a literatura.
Si crede chì u muvimentu à longa distanza hè sottu à a polarizazione catodica di l'atomi di carbone, u grafite à alta cristallizazione à u carbone amorfu deve esse trasfurmatu, a grafite sintetica hà una forma unica di petali chì anu benefiziu di l'atomi d'ossigenu, ma u modu specificu per influenzà a struttura di u nanometru di grafite ùn hè micca chjaru, cum'è l'ossigenu da u scheletru di carbone dopu à a reazione à u catodu, ecc.
Attualmente, a ricerca nantu à u mecanismu hè sempre in a fase iniziale, è sò necessarie più ricerche.
1.3 Caratterizazione morfologica di a grafite sintetica
U SEM hè adupratu per osservà a morfologia superficiale microscopica di a grafite, u TEM hè adupratu per osservà a morfologia strutturale di menu di 0,2 μm, a spettroscopia XRD è Raman sò i mezi più cumunimenti aduprati per caratterizà a microstruttura di a grafite, a XRD hè aduprata per caratterizà l'infurmazioni cristalline di a grafite, è a spettroscopia Raman hè aduprata per caratterizà i difetti è u gradu d'ordine di a grafite.
Ci sò parechji pori in a grafite preparata da a polarizazione catodica di l'elettrolisi di u sale fusu. Per diverse materie prime, cum'è l'elettrolisi di u neru di carbone, si ottenenu nanostrutture porose in forma di petali. L'analisi di u spettru XRD è Raman sò realizate nantu à u neru di carbone dopu l'elettrolisi.
À 827 ℃, dopu esse statu trattatu cù una tensione di 2,6 V per 1 ora, l'imagine spettrale Raman di u neru di carbone hè guasi a stessa chè quella di a grafite cummerciale. Dopu chì u neru di carbone hè statu trattatu cù diverse temperature, si misura u piccu caratteristicu di a grafite nitida (002). U piccu di diffrazione (002) rapprisenta u gradu di orientazione di u stratu di carbone aromaticu in a grafite.
Più u stratu di carbone hè affilatu, più hè orientatu.
Zhu hà utilizatu u carbone inferiore purificatu cum'è catodu in l'esperimentu, è a microstruttura di u pruduttu grafitatu hè stata trasfurmata da una struttura granulare à una grande struttura di grafite, è u stratu strettu di grafite hè statu ancu osservatu sottu à u microscopiu elettronicu di trasmissione à alta velocità.
In i spettri Raman, cù u cambiamentu di e cundizioni sperimentali, u valore ID/Ig hè ancu cambiatu. Quandu a temperatura elettrolitica era di 950 ℃, u tempu elettroliticu era di 6 ore, è a tensione elettrolitica era di 2,6 V, u valore ID/Ig u più bassu era di 0,3, è u piccu D era assai più bassu di u piccu G. À u listessu tempu, l'apparizione di u piccu 2D rapprisentava ancu a furmazione di una struttura di grafite assai urdinata.
U piccu di diffrazione acutu (002) in l'imagine XRD cunfirma ancu a cunversione riescita di u carbone inferiore in grafite cù alta cristallinità.
In u prucessu di grafitizazione, l'aumentu di a temperatura è di a tensione ghjucherà un rolu di prumuzione, ma una tensione troppu alta riducerà u rendimentu di a grafite, è una temperatura troppu alta o un tempu di grafitizazione troppu longu porterà à u sprecu di risorse, dunque per diversi materiali di carbone, hè particularmente impurtante esplorà e cundizioni elettrolitiche più adatte, hè ancu u focu è a difficultà.
Questa nanostruttura in fiocchi simili à petali hà eccellenti proprietà elettrochimiche. Un gran numeru di pori permette à l'ioni d'esse inseriti/deintegrati rapidamente, furnendu materiali catodici di alta qualità per batterie, ecc. Dunque, u metudu elettrochimicu di grafitizazione hè un metudu di grafitizazione assai putenziale.
Metudu di elettrodeposizione di sali fusi
2.1 Elettrodeposizione di diossidu di carbonu
Cum'è u gasu à effettu serra u più impurtante, u CO2 hè ancu una risorsa rinnuvevule micca tossica, innocua, economica è facilmente dispunibile. Tuttavia, u carbone in u CO2 hè in u statu d'ossidazione u più altu, dunque u CO2 hà una alta stabilità termodinamica, ciò chì rende difficiule u so riutilizazione.
A prima ricerca nantu à l'elettrodeposizione di CO2 pò esse tracciata finu à l'anni 1960. Ingram et al. anu preparatu cù successu u carbone nantu à l'elettrodu d'oru in u sistema di sali fusi di Li2CO3-Na2CO3-K2CO3.
Van et al. anu signalatu chì e polveri di carbone ottenute à diversi potenziali di riduzione avianu strutture diverse, cumprese a grafite, u carbone amorfu è e nanofibre di carbone.
Per via di u sale fusu per catturà u CO2 è di u metudu di preparazione di u successu di u materiale di carbone, dopu à un longu periodu di ricerca, i studiosi si sò cuncentrati nantu à u mecanismu di furmazione di a deposizione di carbone è l'effettu di e cundizioni d'elettrolisi nantu à u pruduttu finale, chì includenu a temperatura elettrolitica, a tensione elettrolitica è a cumpusizione di u sale fusu è di l'elettrodi, ecc., A preparazione di materiali di grafite d'altu rendimentu per l'elettrodeposizione di CO2 hà postu una basa solida.
Cambiendu l'elettrolitu è aduprendu un sistema di sali fusi basatu annantu à CaCl2 cù una più alta efficienza di cattura di CO2, Hu et al. anu preparatu cù successu u grafene cù un gradu di grafitizazione più altu è nanotubi di carboniu è altre strutture di nanografite studiendu e cundizioni elettrolitiche cum'è a temperatura di elettrolisi, a cumpusizione di l'elettrodi è a cumpusizione di i sali fusi.
In paragone cù u sistema di carbonatu, CaCl2 hà i vantaghji di esse economicu è faciule d'ottene, alta cunduttività, faciule da dissolve in acqua è più alta solubilità di l'ioni d'ossigenu, chì furniscenu e cundizioni teoriche per a cunversione di CO2 in prudutti di grafite cù un altu valore aghjuntu.
2.2 Meccanismu di Trasfurmazione
A preparazione di materiali di carbone à altu valore aghjuntu per elettrodeposizione di CO2 da sale fusu include principalmente a cattura di CO2 è a riduzione indiretta. A cattura di CO2 hè cumpletata da O2- liberu in sale fusu, cum'è mostratu in l'equazione (1):
CO2+O2-→CO3 2- (1)
Attualmente, sò stati pruposti trè meccanismi di reazione di riduzione indiretta: reazione in un passu, reazione in dui passi è meccanismu di reazione di riduzione di metalli.
U mecanismu di reazione in un passu hè statu prupostu per a prima volta da Ingram, cum'è mostratu in l'equazione (2):
CO3 2-+ 4E – →C+3O2- (2)
U mecanismu di reazione in dui passi hè statu prupostu da Borucka et al., cum'è mostratu in l'equazione (3-4):
CO3 2-+ 2E – →CO2 2-+O2- (3)
CO2 2-+ 2E – →C+2O2- (4)
U mecanismu di a reazione di riduzione di i metalli hè statu prupostu da Deanhardt et al. Credianu chì l'ioni metallichi eranu prima ridutti à metallu in u catodu, è dopu u metallu era riduttu à ioni carbonati, cum'è mostratu in l'equazione (5~6):
M- + E – →M (5)
4 m + M2CO3 – > C + 3 m2o (6)
Attualmente, u mecanismu di reazione in un passu hè generalmente accettatu in a literatura esistente.
Yin et al. anu studiatu u sistema di carbonatu Li-Na-K cù u nichelu cum'è catodu, u diossidu di stagnu cum'è anodu è u filu d'argentu cum'è elettrodu di riferimentu, è anu ottenutu a figura di prova di voltammetria ciclica in a Figura 2 (velocità di scansione di 100 mV/s) à u catodu di nichelu, è anu trovu chì ci era solu un piccu di riduzione (à -2.0V) in a scansione negativa.
Dunque, si pò cunclude chì solu una reazione hè accaduta durante a riduzione di u carbonatu.
Gao et al. anu ottenutu a listessa voltammetria ciclica in u listessu sistema carbonaticu.
Ge et al. anu utilizatu un anodu inerte è un catodu di tungstenu per catturà u CO2 in u sistema LiCl-Li2CO3 è anu ottenutu immagini simili, è solu un piccu di riduzione di a deposizione di carbone hè apparsu in a scansione negativa.
In u sistema di sali fusi di metalli alcalini, i metalli alcalini è u CO2 saranu generati mentre u carbone hè depositatu da u catodu. Tuttavia, postu chì e cundizioni termodinamiche di a reazione di deposizione di carbone sò più basse à una temperatura più bassa, solu a riduzione di u carbonatu à carbone pò esse rilevata in l'esperimentu.
2.3 Cattura di CO2 da u sale fusu per preparà prudutti di grafite
I nanomateriali di grafite à altu valore aghjuntu cum'è u grafene è i nanotubi di carbonu ponu esse preparati per elettrodeposizione di CO2 da sale fusu cuntrullendu e cundizioni sperimentali. Hu et al. anu utilizatu l'acciaiu inox cum'è catodu in u sistema di sale fusu CaCl2-NaCl-CaO è elettrolizatu per 4 ore in cundizioni di tensione costante di 2,6 V à diverse temperature.
Grazie à a catalisi di u ferru è à l'effettu esplosivu di u CO trà i strati di grafite, u grafene hè statu trovu nantu à a superficia di u catodu. U prucessu di preparazione di u grafene hè mostratu in a Fig. 3.
L'imagine
Studi successivi anu aghjustatu Li2SO4 nantu à a basa di u sistema di sali fusi CaCl2-NaClCaO, a temperatura di elettrolisi era di 625 ℃, dopu à 4 ore di elettrolisi, à u listessu tempu in a deposizione catodica di carbone anu trovu grafene è nanotubi di carbone, u studiu hà trovu chì Li+ è SO42- anu un effettu pusitivu nantu à a grafitizazione.
U zolfu hè ancu integratu cù successu in u corpu di carbone, è fogli di grafite ultra-fini è carbone filamentosu ponu esse ottenuti cuntrullendu e cundizioni elettrolitiche.
U materiale cum'è a temperatura elettrolitica alta è bassa per a furmazione di grafene hè critica. Quandu a temperatura hè superiore à 800 ℃, hè più faciule di generà CO2 invece di carbone, è quasi nisuna deposizione di carbone hè superiore à 950 ℃. Dunque, u cuntrollu di a temperatura hè estremamente impurtante per pruduce grafene è nanotubi di carbone, è restaurà a sinergia di reazione di deposizione di carbone necessaria per assicurà chì u catodu generi grafene stabile.
Questi travagli furniscenu un novu metudu per a preparazione di prudutti di nano-grafite da CO2, chì hè di grande impurtanza per a suluzione di gasi à effettu serra è a preparazione di grafene.
3. Riassuntu è Prospettive
Cù u rapidu sviluppu di a nova industria energetica, a grafite naturale ùn hè stata capace di risponde à a dumanda attuale, è a grafite artificiale hà proprietà fisiche è chimiche megliu cà a grafite naturale, dunque a grafitizazione economica, efficiente è rispettosa di l'ambiente hè un scopu à longu andà.
I metudi elettrochimichi di grafitizazione in materie prime solide è gassose cù u metudu di polarizazione catodica è deposizione elettrochimica sò stati ottenuti cù successu da i materiali di grafite cù un altu valore aghjuntu, paragunatu à u modu tradiziunale di grafitizazione, u metudu elettrochimicu hè di più alta efficienza, cunsumu energeticu più bassu, prutezzione ambientale verde, per picculi limitati da materiali selettivi à u listessu tempu, secondu e diverse cundizioni di elettrolisi ponu esse preparati à diverse morfologie di struttura di grafite,
Fornisce un modu efficace per chì tutti i tipi di carbone amorfu è di gas serra sianu cunvertiti in preziosi materiali di grafite nanostrutturati è hà una bona prospettiva d'applicazione.
Attualmente, sta tecnulugia hè in i so primi tempi. Ci sò pochi studii nantu à a grafitizazione per metudu elettrochimicu, è ci sò sempre parechji prucessi scunnisciuti. Dunque, hè necessariu parte da e materie prime è realizà un studiu cumpletu è sistematicu nantu à diversi carboni amorfi, è à u listessu tempu esplorà a termodinamica è a dinamica di a cunversione di a grafite à un livellu più prufondu.
Quessi anu una significazione di vasta portata per u sviluppu futuru di l'industria di a grafite.
Data di publicazione: 10 di maghju 2021