Grafiti imegawanywa katika grafiti bandia na grafiti asilia, akiba iliyothibitishwa duniani ya grafiti asilia katika takriban tani bilioni 2.
Grafiti bandia hupatikana kwa kuoza na kutibu joto kwa nyenzo zenye kaboni chini ya shinikizo la kawaida. Mabadiliko haya yanahitaji halijoto ya juu na nishati kama nguvu ya kuendesha, na muundo ulioharibika utabadilishwa kuwa muundo wa fuwele wa grafiti uliopangwa.
Grafitizasheni ni kwa maana pana zaidi ya nyenzo za kaboni kupitia matibabu ya joto ya juu ya 2000 ℃, atomi za kaboni zikipangwa upya, hata hivyo, baadhi ya vifaa vya kaboni katika halijoto ya juu zaidi ya 3000 ℃, aina hii ya vifaa vya kaboni ilijulikana kama "mkaa mgumu", kwa vifaa vya kaboni vilivyochorwa kwa urahisi, njia ya jadi ya grafitizasheni ni pamoja na njia ya joto la juu na shinikizo la juu, grafitizasheni ya kichocheo, njia ya utuaji wa mvuke wa kemikali, nk.
Uchoraji wa grafiti ni njia bora ya matumizi ya thamani kubwa ya vifaa vya kaboni. Baada ya utafiti wa kina na wa kina uliofanywa na wasomi, kimsingi umekomaa sasa. Hata hivyo, baadhi ya mambo yasiyofaa yanapunguza matumizi ya uchoraji wa grafiti wa jadi katika tasnia, kwa hivyo ni mwelekeo usioepukika kuchunguza mbinu mpya za uchoraji wa grafiti.
Mbinu ya elektrolisisi ya chumvi iliyoyeyushwa tangu karne ya 19 ilikuwa zaidi ya karne ya maendeleo, nadharia yake ya msingi na mbinu mpya ni uvumbuzi na maendeleo kila wakati, sasa haizuiliwi tena na tasnia ya jadi ya metali, mwanzoni mwa karne ya 21, chuma katika mfumo wa chumvi iliyoyeyuka, maandalizi ya kupunguza oksidi ngumu ya elektrolitiki ya metali za elementi yamekuwa kitovu katika shughuli zaidi,
Hivi majuzi, mbinu mpya ya kuandaa vifaa vya grafiti kwa kutumia elektrolisisi ya chumvi iliyoyeyushwa imevutia umakini mkubwa.
Kwa njia ya upolarization wa kathodi na nafasi ya elektrodi, aina mbili tofauti za malighafi za kaboni hubadilishwa kuwa nyenzo za nano-grafiti zenye thamani kubwa ya ziada. Ikilinganishwa na teknolojia ya jadi ya upigaji picha, mbinu mpya ya upigaji picha ina faida za halijoto ya chini ya upigaji picha na mofolojia inayoweza kudhibitiwa.
Karatasi hii inapitia maendeleo ya upigaji picha kwa njia ya kielektroniki, inaanzisha teknolojia hii mpya, inachambua faida na hasara zake, na inatazamia mwelekeo wake wa maendeleo ya baadaye.
Kwanza, mbinu ya upolarization wa kathodi ya chumvi iliyoyeyuka
1.1 malighafi
Kwa sasa, malighafi kuu ya grafiti bandia ni sindano coke na lami coke zenye kiwango cha juu cha grafiti, yaani kwa mabaki ya mafuta na lami ya makaa ya mawe kama malighafi ya kutoa vifaa vya kaboni vyenye ubora wa juu, vyenye porosity ya chini, kiberiti kidogo, kiwango cha chini cha majivu na faida za grafiti, 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 kushuka kwa bei ya mafuta kumezuia maendeleo yake, kwa hivyo kutafuta malighafi mpya kumekuwa tatizo la dharura linalopaswa kutatuliwa.
Mbinu za jadi za uchoraji wa grafiti zina mapungufu, na mbinu tofauti za uchoraji wa grafiti hutumia malighafi tofauti. Kwa kaboni isiyo na grafiti, mbinu za jadi haziwezi kuichora grafiti, huku fomula ya kielektroniki ya elektrolisisi ya chumvi iliyoyeyushwa ikipitia kikomo cha malighafi, na inafaa kwa karibu vifaa vyote vya jadi vya kaboni.
Vifaa vya kaboni vya kitamaduni ni pamoja na kaboni nyeusi, kaboni iliyoamilishwa, makaa ya mawe, n.k., ambayo makaa ya mawe ndiyo yenye matumaini zaidi. Wino unaotokana na makaa ya mawe huchukua makaa ya mawe kama mtangulizi na huandaliwa katika bidhaa za grafiti kwenye joto la juu baada ya matibabu ya awali.
Hivi majuzi, karatasi hii inapendekeza mbinu mpya za kielektroniki, kama vile Peng, kwa kutumia elektrolisisi ya chumvi iliyoyeyushwa, haiwezekani kuibadilisha kaboni kuwa nyeusi na kuwa fuwele nyingi za grafiti, elektrolisisi ya sampuli za grafiti zenye umbo la petali la chipsi za grafiti zenye umbo la petali, ina eneo maalum la uso, ikitumika kwa cathodi ya betri ya lithiamu ilionyesha utendaji bora wa kielektroniki kuliko grafiti asilia.
Zhu na wenzake waliweka makaa ya mawe yenye ubora wa chini yaliyotibiwa kwenye mfumo wa chumvi iliyoyeyushwa ya CaCl2 kwa ajili ya kusafishwa kwa umeme kwa nyuzi joto 950, na wakafanikiwa kubadilisha makaa ya mawe yenye ubora wa chini kuwa grafiti yenye fuwele nyingi, ambayo ilionyesha utendaji mzuri wa kiwango na maisha marefu ya mzunguko yalipotumika kama anodi ya betri ya ioni ya lithiamu.
Jaribio linaonyesha kwamba inawezekana kubadilisha aina tofauti za vifaa vya kaboni vya kitamaduni kuwa grafiti kwa njia ya elektrolisisi ya chumvi iliyoyeyushwa, ambayo hufungua njia mpya ya grafiti ya sintetiki ya siku zijazo.
1.2 utaratibu wa
Mbinu ya elektrolisisi ya chumvi iliyoyeyushwa hutumia nyenzo za kaboni kama kathodi na kuibadilisha kuwa grafiti yenye fuwele nyingi kwa njia ya upolarishaji wa kathodi. Kwa sasa, machapisho yaliyopo yanataja kuondolewa kwa oksijeni na upangaji upya wa atomi za kaboni kwa umbali mrefu katika mchakato unaowezekana wa ubadilishaji wa upolarishaji wa kathodi.
Uwepo wa oksijeni katika nyenzo za kaboni utazuia uundaji wa grafiti kwa kiasi fulani. Katika mchakato wa jadi wa uundaji wa grafiti, oksijeni itaondolewa polepole wakati halijoto ni kubwa kuliko 1600K. Hata hivyo, ni rahisi sana kuondoa oksidi kupitia uundaji wa kathodi.
Peng, nk. katika majaribio kwa mara ya kwanza waliweka mbele utaratibu wa uwezo wa upolarization wa kathodi wa chumvi iliyoyeyushwa, yaani upigaji picha zaidi mahali pa kuanzia ni kuwekwa katika mikrosferi/kiolesura cha electrolyte cha kaboni imara, kwanza mikrosferi ya kaboni huundwa kuzunguka ganda la grafiti la kipenyo sawa, na kisha atomi za kaboni zisizo na maji zisizo imara huenea hadi kwenye kipande cha nje cha grafiti kilicho imara zaidi, hadi grafu itakapowekwa kabisa,
Mchakato wa grafiti unaambatana na kuondolewa kwa oksijeni, ambayo pia inathibitishwa na majaribio.
Jin na wenzake pia walithibitisha mtazamo huu kupitia majaribio. Baada ya kaboni ya glukosi, grafu (kiwango cha oksijeni 17%) ilifanyika. Baada ya grafu, tufe za kaboni ngumu za asili (Mchoro 1a na 1c) ziliunda ganda lenye vinyweleo lililoundwa na karatasi ndogo za grafiti (Mchoro 1b na 1d).
Kwa kutumia elektroli ya nyuzi za kaboni (oksijeni 16%), nyuzi za kaboni zinaweza kubadilishwa kuwa mirija ya grafiti baada ya uundaji wa grafiti kulingana na utaratibu wa ubadilishaji uliokadiriwa katika fasihi.
Iliaminika kwamba, harakati ya umbali mrefu iko chini ya upolarization wa atomi za kaboni kwa kutumia grafiti ya fuwele ya juu hadi mpangilio wa kaboni usio na umbo lazima ufanyike, grafiti ya synthetic ya kipekee ya petals ina muundo wa nano wa atomi za oksijeni, lakini jinsi maalum ya kushawishi muundo wa nanomita ya grafiti haijulikani wazi, kama vile oksijeni kutoka kwa mifupa ya kaboni baada ya jinsi mmenyuko wa cathode, nk.
Kwa sasa, utafiti kuhusu utaratibu huo bado uko katika hatua ya awali, na utafiti zaidi unahitajika.
1.3 Uainishaji wa kimofolojia wa grafiti ya sintetiki
SEM hutumika kuchunguza umbo la uso wa grafiti kwa hadubini, TEM hutumika kuchunguza umbo la kimuundo la chini ya 0.2 μm, XRD na spektroskopia ya Raman ndizo njia zinazotumika sana kuainisha muundo mdogo wa grafiti, XRD hutumika kuainisha taarifa za fuwele za grafiti, na spektroskopia ya Raman hutumika kuainisha kasoro na kiwango cha mpangilio wa grafiti.
Kuna vinyweleo vingi kwenye grafiti vilivyotayarishwa na upolarishaji wa kathodi wa elektrolisisi ya chumvi iliyoyeyushwa. Kwa malighafi tofauti, kama vile elektrolisisi nyeusi ya kaboni, miundo midogo yenye vinyweleo kama petali hupatikana. Uchambuzi wa wigo wa XRD na Raman hufanywa kwenye nyeusi ya kaboni baada ya elektrolisisi.
Katika 827 ℃, baada ya kutibiwa na volteji ya 2.6V kwa saa 1, picha ya spektrali ya Raman ya kaboni nyeusi ni sawa na ile ya grafiti ya kibiashara. Baada ya kaboni nyeusi kutibiwa na halijoto tofauti, kilele cha sifa ya grafiti kali (002) hupimwa. Kilele cha mtawanyiko (002) kinawakilisha kiwango cha mwelekeo wa safu ya kaboni yenye harufu nzuri katika grafiti.
Kadiri safu ya kaboni inavyokuwa kali, ndivyo inavyoelekezwa zaidi.
Zhu alitumia makaa ya mawe yaliyosafishwa kama kathodi katika jaribio hilo, na muundo mdogo wa bidhaa iliyochorwa grafiti ulibadilishwa kutoka muundo wa grafiti hadi muundo mkubwa wa grafiti, na safu nyembamba ya grafiti pia ilionekana chini ya darubini ya elektroni ya upitishaji yenye kiwango cha juu.
Katika spektra ya Raman, pamoja na mabadiliko ya hali ya majaribio, thamani ya ID/Ig pia ilibadilika. Wakati halijoto ya elektroliti ilikuwa 950 ℃, muda wa elektroliti ulikuwa saa 6, na volteji ya elektroliti ilikuwa 2.6V, thamani ya chini kabisa ya ID/Ig ilikuwa 0.3, na kilele cha D kilikuwa chini sana kuliko kilele cha G. Wakati huo huo, kuonekana kwa kilele cha 2D pia kuliwakilisha uundaji wa muundo wa grafiti uliopangwa sana.
Kilele cha mtawanyiko mkali (002) katika picha ya XRD pia kinathibitisha ubadilishaji uliofanikiwa wa makaa ya mawe duni kuwa grafiti yenye fuwele nyingi.
Katika mchakato wa grafiti, ongezeko la halijoto na volteji litachukua jukumu la kukuza, lakini volteji kubwa sana itapunguza mavuno ya grafiti, na halijoto kubwa sana au muda mrefu sana wa grafiti utasababisha upotevu wa rasilimali, kwa hivyo kwa vifaa tofauti vya kaboni, ni muhimu sana kuchunguza hali zinazofaa zaidi za elektroliti, pia ni lengo na ugumu.
Muundo huu mdogo wa vipande vya petali una sifa bora za kielektroniki. Idadi kubwa ya vinyweleo huruhusu ioni kuingizwa/kuondolewa haraka, na kutoa vifaa vya ubora wa juu vya kathodi kwa betri, n.k. Kwa hivyo, uchoraji wa njia ya kielektroniki ni njia inayowezekana sana ya uchoraji.
Mbinu ya kuweka elektrodi ya chumvi iliyoyeyuka
2.1 Uwekaji wa elektrodi ya kaboni dioksidi
Kama gesi muhimu zaidi ya chafu, CO2 pia ni rasilimali mbadala isiyo na sumu, isiyo na madhara, ya bei nafuu na inayopatikana kwa urahisi. Hata hivyo, kaboni katika CO2 iko katika hali ya juu zaidi ya oksidi, kwa hivyo CO2 ina utulivu mkubwa wa thermodynamic, ambayo inafanya iwe vigumu kuitumia tena.
Utafiti wa mapema zaidi kuhusu nafasi ya elektrodi ya CO2 unaweza kufuatiliwa hadi miaka ya 1960. Ingram na wenzake walifanikiwa kuandaa kaboni kwenye elektrodi ya dhahabu katika mfumo wa chumvi iliyoyeyuka ya Li2CO3-Na2CO3-K2CO3.
Van et al. walisema kwamba poda za kaboni zilizopatikana katika uwezo tofauti wa kupunguza zilikuwa na miundo tofauti, ikiwa ni pamoja na grafiti, kaboni isiyo na umbo na nyuzinyuzi za kaboni.
Kwa kutumia chumvi iliyoyeyushwa ili kukamata CO2 na njia ya maandalizi ya mafanikio ya nyenzo za kaboni, baada ya kipindi kirefu cha wasomi wa utafiti kulenga utaratibu wa uundaji wa uwekaji wa kaboni na athari za hali ya elektrolisiti kwenye bidhaa ya mwisho, ambayo ni pamoja na halijoto ya elektroliti, volti ya elektroliti na muundo wa chumvi iliyoyeyuka na elektrodi, n.k., utayarishaji wa utendaji wa juu wa vifaa vya grafiti kwa ajili ya uwekaji wa elektrodi wa CO2 umeweka msingi imara.
Kwa kubadilisha elektroliti na kutumia mfumo wa chumvi iliyoyeyushwa unaotegemea CaCl2 wenye ufanisi mkubwa wa kunasa CO2, Hu na wenzake walifanikiwa kuandaa graphene yenye kiwango cha juu cha grafiti na mirija ya kaboni na miundo mingine ya nanografiti kwa kusoma hali za elektroliti kama vile halijoto ya elektrolisiti, muundo wa elektrodi na muundo wa chumvi iliyoyeyushwa.
Ikilinganishwa na mfumo wa kaboneti, CaCl2 ina faida za bei nafuu na rahisi kupata, upitishaji wa juu wa umeme, rahisi kuyeyuka katika maji, na umumunyifu mkubwa wa ioni za oksijeni, ambazo hutoa hali ya kinadharia ya ubadilishaji wa CO2 kuwa bidhaa za grafiti zenye thamani kubwa ya ziada.
2.2 Utaratibu wa Mabadiliko
Maandalizi ya vifaa vya kaboni vyenye thamani kubwa kwa kuweka CO2 kutoka kwa chumvi iliyoyeyushwa kwa elektrodi yanajumuisha zaidi ukamataji wa CO2 na upunguzaji usio wa moja kwa moja. Umataji wa CO2 unakamilika kwa chumvi iliyoyeyushwa ya O2-huru, kama inavyoonyeshwa katika Mlinganyo (1):
CO2+O2-→CO3 2- (1)
Kwa sasa, mifumo mitatu ya mmenyuko wa kupunguza isiyo ya moja kwa moja imependekezwa: mmenyuko wa hatua moja, mmenyuko wa hatua mbili na utaratibu wa mmenyuko wa kupunguza metali.
Utaratibu wa mmenyuko wa hatua moja ulipendekezwa kwa mara ya kwanza na Ingram, kama inavyoonyeshwa katika Mlinganyo (2):
CO3 2-+ 4E – →C+3O2- (2)
Utaratibu wa mmenyuko wa hatua mbili ulipendekezwa na Borucka et al., kama inavyoonyeshwa katika Mlinganyo (3-4):
CO3 2-+ 2E – →CO2 2-+O2- (3)
CO2 2-+ 2E – →C+2O2- (4)
Utaratibu wa mmenyuko wa kupunguza metali ulipendekezwa na Deanhardt et al. Waliamini kwamba ioni za metali zilipunguzwa kwanza kuwa chuma katika kathodi, na kisha chuma kilipunguzwa kuwa ioni za kaboneti, kama inavyoonyeshwa katika Mlinganyo (5~6):
M- + E – →M (5)
Mita 4 + M2CO3 – > C + 3 m2o (6)
Kwa sasa, utaratibu wa mmenyuko wa hatua moja unakubaliwa kwa ujumla katika machapisho yaliyopo.
Yin na wenzake walisoma mfumo wa kaboneti wa Li-Na-K ukitumia nikeli kama kathodi, dioksidi ya bati kama anodi na waya wa fedha kama elektrodi ya marejeleo, na wakapata mchoro wa jaribio la voltammetri ya mzunguko katika Mchoro 2 (kiwango cha skanning cha 100 mV/s) kwenye kathodi ya nikeli, na wakagundua kuwa kulikuwa na kilele kimoja tu cha upunguzaji (kwa -2.0V) katika skanning hasi.
Kwa hivyo, inaweza kuhitimishwa kuwa mmenyuko mmoja tu ulitokea wakati wa kupungua kwa kaboneti.
Gao na wenzake walipata voltammetri sawa ya mzunguko katika mfumo uleule wa kaboneti.
Ge na wenzake walitumia anodi isiyo na chembe na kathodi ya tungsten kukamata CO2 katika mfumo wa LiCl-Li2CO3 na kupata picha zinazofanana, na ni kilele cha kupungua kwa utuaji wa kaboni kilichoonekana katika skanning hasi.
Katika mfumo wa chumvi iliyoyeyushwa ya metali ya alkali, metali za alkali na CO zitazalishwa huku kaboni ikiwekwa na kathodi. Hata hivyo, kwa sababu hali ya joto ya mmenyuko wa utuaji wa kaboni ni ya chini kwa halijoto ya chini, ni kupungua kwa kaboneti hadi kaboni pekee ndiko kunaweza kugunduliwa katika jaribio.
2.3 Kukamata CO2 kwa kutumia chumvi iliyoyeyushwa ili kuandaa bidhaa za grafiti
Nano za grafiti zenye thamani kubwa kama vile mirija ya grafiti na kaboni zinaweza kutayarishwa kwa kuweka CO2 kutoka kwa chumvi iliyoyeyushwa kwa kudhibiti hali ya majaribio. Hu na wenzake walitumia chuma cha pua kama kathodi katika mfumo wa chumvi iliyoyeyushwa wa CaCl2-NaCl-CaO na kusawazishwa kwa umeme kwa saa 4 chini ya hali ya volteji thabiti ya 2.6V katika halijoto tofauti.
Shukrani kwa kichocheo cha chuma na athari ya mlipuko wa CO kati ya tabaka za grafiti, graphene ilipatikana kwenye uso wa kathodi. Mchakato wa utayarishaji wa graphene unaonyeshwa kwenye Mchoro 3.
Picha
Masomo ya baadaye yaliongeza Li2SO4 kwa msingi wa mfumo wa chumvi iliyoyeyushwa wa CaCl2-NaClCaO, joto la elektrolisisi lilikuwa 625 ℃, baada ya saa 4 za elektrolisisi, wakati huo huo katika utuaji wa kathodi wa kaboni uliopatikana graphene na mirija ya kaboni, utafiti uligundua kuwa Li+ na SO4 2- zina athari chanya kwenye grafiti.
Sulphur pia imeunganishwa kwa mafanikio katika mwili wa kaboni, na karatasi nyembamba sana za grafiti na kaboni yenye nyuzi zinaweza kupatikana kwa kudhibiti hali ya elektroliti.
Nyenzo kama vile joto la elektroliti la juu na chini kwa ajili ya uundaji wa graphene ni muhimu, wakati halijoto ya juu kuliko 800 ℃ ni rahisi kutoa CO badala ya kaboni, karibu hakuna utuaji wa kaboni wakati wa juu kuliko 950 ℃, hivyo udhibiti wa halijoto ni muhimu sana ili kuzalisha graphene na nanotubes za kaboni, na kurejesha haja ya mmenyuko wa utuaji wa kaboni CO mmenyuko ili kuhakikisha kwamba cathode hutoa graphene imara.
Kazi hizi hutoa mbinu mpya ya utayarishaji wa bidhaa za nanografiti kwa kutumia CO2, ambayo ina umuhimu mkubwa kwa suluhisho la gesi chafu na utayarishaji wa graphene.
3. Muhtasari na Mtazamo
Kwa maendeleo ya haraka ya sekta mpya ya nishati, grafiti asilia haijaweza kukidhi mahitaji ya sasa, na grafiti bandia ina sifa bora za kimwili na kemikali kuliko grafiti asilia, kwa hivyo uundaji wa grafiti wa bei nafuu, ufanisi na rafiki kwa mazingira ni lengo la muda mrefu.
Mbinu za kielektroniki za uchoraji wa grafiti katika malighafi ngumu na gesi kwa kutumia mbinu ya upolaji wa kathodi na utuaji wa elektrokemikali ulifanikiwa kutoka kwa vifaa vya grafiti vyenye thamani kubwa ya ziada, ikilinganishwa na njia ya jadi ya uchoraji, mbinu ya kielektroniki ni ya ufanisi mkubwa, matumizi ya chini ya nishati, ulinzi wa mazingira wa kijani, kwa vifaa vidogo vilivyopunguzwa na vya kuchagua kwa wakati mmoja, kulingana na hali tofauti za elektrolisti zinaweza kutayarishwa katika mofolojia tofauti ya muundo wa grafiti,
Inatoa njia bora kwa kila aina ya kaboni isiyo na umbo na gesi chafu kubadilishwa kuwa nyenzo muhimu za grafiti zenye muundo mdogo na ina matarajio mazuri ya matumizi.
Kwa sasa, teknolojia hii iko katika uchanga wake. Kuna tafiti chache kuhusu uundaji wa grafiti kwa njia ya kielektroniki, na bado kuna michakato mingi isiyojulikana. Kwa hivyo, ni muhimu kuanza kutoka kwa malighafi na kufanya utafiti wa kina na wa kimfumo kuhusu kaboni mbalimbali zisizo na umbo, na wakati huo huo kuchunguza thermodynamics na mienendo ya ubadilishaji wa grafiti kwa kiwango cha kina zaidi.
Hizi zina umuhimu mkubwa kwa maendeleo ya baadaye ya tasnia ya grafiti.
Muda wa chapisho: Mei-10-2021