Grafiti imegawanywa katika grafiti bandia na grafiti asilia, hifadhi iliyothibitishwa ya grafiti asilia ulimwenguni katika takriban tani bilioni 2.
Grafiti ya bandia hupatikana kwa kutengana na matibabu ya joto ya vifaa vyenye kaboni chini ya shinikizo la kawaida.Mabadiliko haya yanahitaji halijoto ya juu ya kutosha na nishati kama nguvu ya kuendesha, na muundo usio na mpangilio utabadilishwa kuwa muundo wa fuwele wa grafiti.
Graphitization ni kwa maana pana ya nyenzo za kaboni kwa njia ya juu ya 2000 ℃ joto la juu la matibabu ya joto la atomi za kaboni, hata hivyo baadhi ya nyenzo za kaboni katika joto la juu zaidi ya 3000 ℃ graphitization, aina hii ya nyenzo za kaboni ilijulikana kama "mkaa mgumu", kwa nyenzo rahisi za kaboni iliyochorwa, mbinu ya kitamaduni ya kuiga ni pamoja na halijoto ya juu na njia ya shinikizo la juu, upigaji picha wa kichocheo, mbinu ya uwekaji wa mvuke wa kemikali, n.k.
Graphitization ni njia bora ya utumiaji wa thamani ya juu ya nyenzo za kaboni.Baada ya utafiti wa kina na wa kina wa wasomi, kimsingi ni kukomaa sasa.Hata hivyo, baadhi ya mambo yasiyofaa yanazuia utumiaji wa michoro ya kitamaduni katika tasnia, kwa hivyo ni mwelekeo usioepukika wa kuchunguza mbinu mpya za upigaji picha.
Kuyeyuka chumvi electrolysis mbinu tangu karne ya 19 ilikuwa zaidi ya karne ya maendeleo, nadharia yake ya msingi na mbinu mpya ni daima innovation na maendeleo, sasa ni tena mdogo kwa sekta ya jadi metallurgiska, katika mwanzo wa karne ya 21, chuma katika. mfumo wa chumvi iliyoyeyuka, utayarishaji wa upunguzaji wa oksidi dhabiti wa metali za msingi umekuwa lengo katika kazi zaidi;
Hivi karibuni, mbinu mpya ya kuandaa vifaa vya grafiti kwa kutumia electrolysis ya chumvi iliyoyeyuka imevutia sana.
Kwa njia ya polarization ya cathodic na electrodeposition, aina mbili tofauti za malighafi ya kaboni hubadilishwa kuwa nyenzo za nano-graphite na thamani ya juu ya kuongezwa.Ikilinganishwa na teknolojia ya kitamaduni ya upigaji picha, mbinu mpya ya upigaji picha ina faida za joto la chini la upigaji picha na mofolojia inayoweza kudhibitiwa.
Karatasi hii inakagua maendeleo ya upigaji picha kwa kutumia mbinu ya kielektroniki, inatanguliza teknolojia hii mpya, inachanganua faida na hasara zake, na kutarajia mwelekeo wake wa maendeleo ya siku zijazo.
Kwanza, kuyeyuka chumvi electrolytic cathode polarization mbinu
1.1 malighafi
Kwa sasa, kuu ya malighafi ya grafiti bandia ni sindano coke na lami coke ya shahada ya juu graphitization, yaani na mabaki ya mafuta na lami ya makaa ya mawe kama malighafi kuzalisha ubora wa vifaa kaboni, na porosity ya chini, sulfuri ya chini, majivu ya chini. maudhui na faida za graphitization, baada ya maandalizi yake katika grafiti ina upinzani mzuri kwa athari, nguvu ya juu ya mitambo, upinzani mdogo,
Hata hivyo, akiba ndogo ya mafuta na bei inayobadilika-badilika ya mafuta imezuia maendeleo yake, hivyo kutafuta malighafi mpya imekuwa tatizo la haraka kutatuliwa.
Mbinu za jadi za upigaji picha zina mapungufu, na mbinu tofauti za upigaji picha hutumia malighafi tofauti.Kwa kaboni isiyo na graphiti, mbinu za kitamaduni haziwezi kuichora, wakati fomula ya kielektroniki ya elektrolisisi ya chumvi iliyoyeyuka huvunja kizuizi cha malighafi, na inafaa kwa karibu nyenzo zote za jadi za kaboni.
Nyenzo za kaboni za jadi ni pamoja na kaboni nyeusi, kaboni iliyoamilishwa, makaa ya mawe, nk, kati ya ambayo makaa ya mawe ni ya kuahidi zaidi.Wino wa makaa ya mawe huchukua makaa kama kitangulizi na hutayarishwa kuwa bidhaa za grafiti kwenye joto la juu baada ya matibabu ya awali.
Hivi karibuni, karatasi hii inapendekeza mbinu mpya electrochemical, kama vile Peng, kwa kuyeyuka electrolysis chumvi kuna uwezekano wa graphitized kaboni nyeusi katika fuwele ya juu ya grafiti, electrolysis ya sampuli grafiti zenye petal sura grafiti nanometer chips, ina high maalum eneo la uso. wakati kutumika kwa ajili ya lithiamu betri cathode ilionyesha bora electrochemical utendaji zaidi kuliko grafiti asili.
Zhu na wengine.kuweka makaa ya mawe yaliyotibiwa kwa ubora wa chini katika mfumo wa chumvi iliyoyeyushwa wa CaCl2 kwa ajili ya elektrolisisi ifikapo 950 ℃, na kufanikiwa kubadilisha makaa ya mawe yenye ubora wa chini kuwa grafiti yenye fuwele ya juu, ambayo ilionyesha utendaji mzuri wa kiwango na maisha marefu ya mzunguko inapotumiwa kama anodi ya betri ya ioni ya lithiamu. .
Jaribio linaonyesha kuwa inawezekana kubadilisha aina tofauti za nyenzo za kitamaduni za kaboni kuwa grafiti kwa kutumia elektrolisisi ya chumvi iliyoyeyuka, ambayo hufungua njia mpya ya grafiti ya sintetiki ya siku zijazo.
1.2 utaratibu wa
Mbinu ya elektrolisisi ya chumvi iliyoyeyushwa hutumia nyenzo ya kaboni kama cathode na kuigeuza kuwa grafiti yenye ung'avu wa juu kwa njia ya mgawanyiko wa kathodi.Kwa sasa, fasihi iliyopo inataja kuondolewa kwa oksijeni na upangaji upya wa umbali mrefu wa atomi za kaboni katika mchakato unaowezekana wa ubadilishaji wa polarization ya cathodic.
Uwepo wa oksijeni katika nyenzo za kaboni utazuia grafiti kwa kiasi fulani.Katika mchakato wa kitamaduni wa grafiti, oksijeni itatolewa polepole halijoto inapokuwa juu zaidi ya 1600K.Walakini, ni rahisi sana kuondoa oksidi kupitia ugawanyiko wa cathodic.
Peng, n.k katika majaribio kwa mara ya kwanza, waliweka mbele utaratibu unaowezekana wa mgawanyiko wa chumvi iliyoyeyushwa wa cathodic, yaani, grafiti mahali pa kuanzia ni kuwekwa katika kiolesura cha mikrofoni ya kaboni/elektroliti, mikrosphere ya kwanza ya kaboni ikizunguka kipenyo sawa cha msingi. ganda la grafiti, na kisha kamwe atomi za kaboni isiyo na maji isiyo na maji huenea hadi kwenye flake ya nje ya grafiti iliyoimara zaidi, hadi iwe na michoro kabisa;
Mchakato wa graphitization unaambatana na kuondolewa kwa oksijeni, ambayo pia inathibitishwa na majaribio.
Jin na wengine.pia ilithibitisha maoni haya kupitia majaribio.Baada ya carbonization ya glucose, graphitization (17% maudhui ya oksijeni) ilifanyika.Baada ya graphitization, awali imara tufe kaboni (Kielelezo 1a na 1c) sumu shell porous linajumuisha nanosheets grafiti (Mchoro 1b na 1d).
Kwa elektrolisisi ya nyuzi za kaboni (oksijeni 16%), nyuzinyuzi za kaboni zinaweza kubadilishwa kuwa mirija ya grafiti baada ya kuchorwa kulingana na utaratibu wa ubadilishaji unaokisiwa katika fasihi.
Inaaminika kuwa, harakati ya umbali mrefu ni chini ya mgawanyiko cathodic ya atomi kaboni high kioo grafiti kwa amofasi kaboni upya lazima mchakato, yalijengwa grafiti petals kipekee sura nanostructures kufaidika na atomi za oksijeni kutoka, lakini maalum jinsi ya kushawishi grafiti nanometer muundo si wazi, kama vile oksijeni kutoka kwa mifupa ya kaboni baada ya jinsi kwenye mmenyuko wa cathode, nk.
Kwa sasa, utafiti juu ya utaratibu bado uko katika hatua ya awali, na utafiti zaidi unahitajika.
1.3 Tabia ya morphological ya grafiti ya synthetic
SEM hutumika kuchunguza mofolojia ya uso wa hadubini ya grafiti, TEM hutumika kuchunguza mofolojia ya kimuundo ya chini ya 0.2 μm, XRD na Raman spectroscopy ni njia zinazotumiwa sana kuashiria muundo wa grafiti, XRD hutumiwa kuashiria fuwele. habari ya grafiti, na spectroscopy ya Raman hutumiwa kuashiria kasoro na kiwango cha utaratibu wa grafiti.
Kuna pores nyingi katika grafiti iliyoandaliwa na polarization ya cathode ya electrolysis ya chumvi iliyoyeyuka.Kwa malighafi tofauti, kama vile electrolysis nyeusi ya kaboni, nanostructures za porous kama petal hupatikana.Uchambuzi wa wigo wa XRD na Raman unafanywa kwenye kaboni nyeusi baada ya electrolysis.
Katika 827 ℃, baada ya kutibiwa kwa volti 2.6V kwa 1h, taswira ya taswira ya Raman ya kaboni nyeusi inakaribia sawa na ya grafiti ya kibiashara.Baada ya kaboni nyeusi kutibiwa na joto tofauti, kilele cha tabia ya grafiti kali (002) hupimwa.Kilele cha mtengano (002) kinawakilisha kiwango cha mwelekeo wa safu ya kaboni yenye kunukia katika grafiti.
Kadiri safu ya kaboni inavyokuwa kali, ndivyo inavyoelekezwa zaidi.
Zhu alitumia makaa ya chini yaliyosafishwa kama cathode katika jaribio, na muundo mdogo wa bidhaa ya graphiti ulibadilishwa kutoka punjepunje hadi muundo mkubwa wa grafiti, na safu ya grafiti iliyobana pia ilizingatiwa chini ya darubini ya kiwango cha juu cha upitishaji wa elektroni.
Katika mwonekano wa Raman, pamoja na mabadiliko ya hali ya majaribio, thamani ya kitambulisho/Ig pia ilibadilika.Wakati halijoto ya elektroliti ilipokuwa 950 ℃, muda wa kielektroniki ulikuwa 6h, na voltage ya elektroliti ilikuwa 2.6V, thamani ya chini ya kitambulisho/Ig ilikuwa 0.3, na kilele cha D kilikuwa chini sana kuliko kilele cha G.Wakati huo huo, kuonekana kwa kilele cha 2D pia kiliwakilisha uundaji wa muundo wa grafiti ulioagizwa sana.
Kilele cha mtengano mkali (002) katika picha ya XRD pia kinathibitisha ubadilishaji uliofaulu wa makaa ya mawe kuwa grafiti yenye ung'avu wa juu.
Katika mchakato wa graphitization, ongezeko la joto na voltage litakuwa na jukumu la kukuza, lakini voltage ya juu sana itapunguza mavuno ya grafiti, na joto la juu sana au muda mrefu wa graphitization itasababisha upotevu wa rasilimali, hivyo kwa vifaa tofauti vya kaboni. , ni muhimu hasa kuchunguza hali ya electrolytic sahihi zaidi, pia ni lengo na ugumu.
Nanostructure hii ya petal-kama flake ina sifa bora za electrochemical.Idadi kubwa ya pores kuruhusu ions kuingizwa kwa haraka / deembedded, kutoa vifaa vya ubora wa cathode kwa betri, nk Kwa hiyo, njia ya electrochemical graphitization ni njia ya uwezekano wa graphitization.
Njia ya uwekaji elektroni ya chumvi iliyoyeyuka
2.1 Electrodeposition ya dioksidi kaboni
Kama gesi chafuzi muhimu zaidi, CO2 pia ni rasilimali isiyo na sumu, isiyo na madhara, nafuu na inayoweza kurejeshwa kwa urahisi.Hata hivyo, kaboni katika CO2 iko katika hali ya juu zaidi ya oxidation, hivyo CO2 ina utulivu wa juu wa thermodynamic, ambayo inafanya kuwa vigumu kutumia tena.
Utafiti wa mapema zaidi juu ya uwekaji umeme wa CO2 unaweza kufuatiliwa nyuma hadi miaka ya 1960.Ingram na wengine.ilifanikiwa kuandaa kaboni kwenye elektrodi ya dhahabu katika mfumo wa chumvi iliyoyeyuka wa Li2CO3-Na2CO3-K2CO3.
Van et al.ilionyesha kuwa poda za kaboni zilizopatikana kwa uwezo tofauti wa kupunguza zilikuwa na miundo tofauti, ikiwa ni pamoja na grafiti, kaboni ya amofasi na nanofiber za kaboni.
Kwa chumvi iliyoyeyuka kukamata CO2 na njia ya maandalizi ya mafanikio ya nyenzo za kaboni, baada ya muda mrefu wa wasomi wa utafiti wamezingatia utaratibu wa uwekaji wa kaboni na athari za hali ya electrolysis kwenye bidhaa ya mwisho, ambayo ni pamoja na joto la electrolytic, voltage electrolytic na muundo wa chumvi iliyoyeyuka na electrodes, nk, maandalizi ya utendaji wa juu wa vifaa vya grafiti kwa electrodeposition ya CO2 imeweka msingi imara.
Kwa kubadilisha elektroliti na kutumia mfumo wa chumvi iliyoyeyushwa wa CaCl2 wenye ufanisi wa juu wa kunasa CO2, Hu et al.graphene iliyotayarishwa kwa mafanikio yenye shahada ya juu ya grafiti na nanotubes za kaboni na miundo mingine ya nanographite kwa kusoma hali ya kielektroniki kama vile halijoto ya kielektroniki, muundo wa elektrodi na utungaji wa chumvi iliyoyeyuka.
Ikilinganishwa na mfumo wa kaboni, CaCl2 ina faida za bei nafuu na rahisi kupata, upitishaji wa hali ya juu, rahisi kuyeyuka katika maji, na umumunyifu wa juu wa ioni za oksijeni, ambayo hutoa hali ya kinadharia ya ubadilishaji wa CO2 kuwa bidhaa za grafiti zenye thamani ya juu.
2.2 Utaratibu wa Mabadiliko
Utayarishaji wa nyenzo za kaboni zilizoongezwa thamani kwa uwekaji elektroni wa CO2 kutoka kwa chumvi iliyoyeyuka hujumuisha kukamata CO2 na upunguzaji wa moja kwa moja.Ukamataji wa CO2 unakamilishwa na O2- katika chumvi iliyoyeyuka bila malipo, kama inavyoonyeshwa katika Equation (1) :
CO2+O2-→CO3 2- (1)
Kwa sasa, taratibu tatu za athari za kupunguza moja kwa moja zimependekezwa: mmenyuko wa hatua moja, mmenyuko wa hatua mbili na utaratibu wa mmenyuko wa kupunguza chuma.
Utaratibu wa majibu ya hatua moja ulipendekezwa kwanza na Ingram, kama inavyoonyeshwa katika Equation (2) :
CO3 2-+ 4E – →C+3O2- (2)
Utaratibu wa majibu wa hatua mbili ulipendekezwa na Borucka et al., kama inavyoonyeshwa katika Equation (3-4) :
CO3 2-+ 2E – →CO2 2-+O2- (3)
CO2 2-+ 2E – →C+2O2- (4)
Utaratibu wa mmenyuko wa kupunguza chuma ulipendekezwa na Deanhardt et al.Waliamini kwamba ioni za chuma zilipunguzwa kwanza kuwa chuma kwenye cathode, na kisha chuma kilipunguzwa hadi ioni za kaboni, kama inavyoonyeshwa katika Equation (5~6) :
M- + E – →M (5)
4 m + M2CO3 – > C + 3 m2o (6)
Kwa sasa, utaratibu wa mmenyuko wa hatua moja unakubaliwa kwa ujumla katika fasihi zilizopo.
Yin et al.ilisoma mfumo wa kaboni ya Li-Na-K na nikeli kama cathode, dioksidi ya bati kama anodi na waya ya fedha kama elektrodi ya marejeleo, na kupata kielelezo cha mtihani wa mzunguko wa voltammetry kwenye Mchoro 2 (kiwango cha skanning cha 100 mV/s) kwenye cathode ya nikeli, na kupatikana. kwamba kulikuwa na kilele kimoja tu cha kupunguza (saa -2.0V) katika utambazaji hasi.
Kwa hiyo, inaweza kuhitimishwa kuwa mmenyuko mmoja tu ulitokea wakati wa kupunguzwa kwa carbonate.
Gao na wenzake.alipata voltammetry sawa ya mzunguko katika mfumo sawa wa kaboni.
Pata et al.ilitumia anodi ya ajizi na cathode ya tungsten kunasa CO2 katika mfumo wa LiCl-Li2CO3 na kupata picha zinazofanana, na kilele cha upunguzaji wa uwekaji kaboni pekee ndicho kilionekana katika utambazaji hasi.
Katika mfumo wa chumvi iliyoyeyushwa ya metali ya alkali, metali za alkali na CO zitatolewa huku kaboni ikiwekwa na cathode.Hata hivyo, kwa sababu hali ya thermodynamics ya mmenyuko wa uwekaji wa kaboni ni ya chini kwa joto la chini, ni kupunguza tu carbonate hadi kaboni inaweza kutambuliwa katika jaribio.
2.3 Kukamata CO2 kwa chumvi iliyoyeyuka ili kuandaa bidhaa za grafiti
Nanomaterials za grafiti zilizoongezwa thamani ya juu kama vile graphene na nanotubes za kaboni zinaweza kutayarishwa kwa uwekaji elektroni wa CO2 kutoka kwa chumvi iliyoyeyuka kwa kudhibiti hali za majaribio.Hu et al.ilitumia chuma cha pua kama cathode katika mfumo wa chumvi iliyoyeyushwa wa CaCl2-NaCl-CaO na kuwekwa kielektroniki kwa saa 4 chini ya hali ya voltage ya 2.6V isiyobadilika katika viwango tofauti vya joto.
Shukrani kwa kichocheo cha chuma na athari ya mlipuko wa CO kati ya tabaka za grafiti, graphene ilipatikana kwenye uso wa cathode.Mchakato wa maandalizi ya graphene umeonyeshwa kwenye Mchoro 3.
picha
Baadaye tafiti aliongeza Li2SO4 kwa misingi ya CaCl2-NaClCaO kuyeyuka mfumo wa chumvi, joto electrolysis ilikuwa 625 ℃, baada ya 4h ya electrolysis, wakati huo huo katika utuaji cathodic ya kaboni kupatikana graphene na nanotubes kaboni, utafiti iligundua kuwa Li+ na SO4 2 - kuleta athari chanya kwenye graphitization.
Sulfuri pia imeunganishwa kwa mafanikio kwenye mwili wa kaboni, na karatasi za grafiti nyembamba zaidi na kaboni ya filamentous zinaweza kupatikana kwa kudhibiti hali ya electrolytic.
Nyenzo kama vile joto la juu na la chini la elektroliti kwa ajili ya malezi ya graphene ni muhimu, wakati joto la juu kuliko 800 ℃ ni rahisi zaidi kuzalisha CO badala ya kaboni, karibu hakuna utuaji wa kaboni wakati zaidi ya 950 ℃, hivyo udhibiti wa joto ni muhimu sana. kuzalisha graphene na nanotubes kaboni, na kurejesha haja carbon utuaji mmenyuko harambee CO mmenyuko ili kuhakikisha kwamba cathode kuzalisha graphene imara.
Kazi hizi hutoa njia mpya ya maandalizi ya bidhaa za nano-graphite na CO2, ambayo ni ya umuhimu mkubwa kwa ufumbuzi wa gesi za chafu na maandalizi ya graphene.
3. Muhtasari na Mtazamo
Pamoja na maendeleo ya haraka ya tasnia ya nishati mpya, grafiti ya asili imeshindwa kukidhi mahitaji ya sasa, na grafiti bandia ina mali bora ya kimwili na kemikali kuliko grafiti ya asili, hivyo grafiti ya bei nafuu, yenye ufanisi na ya kirafiki ni lengo la muda mrefu.
Mbinu za elektroniki za graphitization katika malighafi ngumu na ya gesi na njia ya ubaguzi wa cathodic na utuaji wa elektrokemikali ilifanikiwa kutoka kwa vifaa vya grafiti na thamani ya juu iliyoongezwa, ikilinganishwa na njia ya jadi ya graphitization, njia ya elektrokemikali ni ya ufanisi wa juu, matumizi ya chini ya nishati; ulinzi wa mazingira ya kijani, mdogo mdogo na vifaa vya kuchagua wakati huo huo, kulingana na hali tofauti electrolysis inaweza kuwa tayari katika morphology tofauti ya muundo grafiti,
Inatoa njia bora kwa kila aina ya kaboni ya amofasi na gesi chafu kubadilishwa kuwa nyenzo za grafiti zenye muundo wa nano na ina matarajio mazuri ya matumizi.
Kwa sasa, teknolojia hii ni changa.Kuna tafiti chache juu ya graphitization kwa njia ya electrochemical, na bado kuna michakato mingi isiyojulikana.Kwa hiyo, ni muhimu kuanza kutoka kwa malighafi na kufanya utafiti wa kina na wa utaratibu juu ya kaboni mbalimbali za amorphous, na wakati huo huo kuchunguza thermodynamics na mienendo ya uongofu wa grafiti katika ngazi ya kina.
Hizi zina umuhimu mkubwa kwa maendeleo ya baadaye ya tasnia ya grafiti.
Muda wa kutuma: Mei-10-2021