Tha grafait air a roinn ann an grafait fuadain agus grafait nàdarrach, agus tha timcheall air 2 billean tunna de stòrasan dearbhte grafait nàdarrach an t-saoghail.
Gheibhear grafait fuadain le bhith a’ lobhadh agus a’ làimhseachadh teas stuthan anns a bheil carbon fo chuideam àbhaisteach. Feumaidh an cruth-atharrachadh seo teòthachd agus lùth àrd gu leòr mar fheachd dràibhidh, agus thèid an structar neo-òrdail a thionndadh gu structar criostail grafait òrdaichte.
Anns an t-seagh as fharsainge, is e grafaiteachadh stuth carbonach tro làimhseachadh teas aig teòthachd àrd os cionn 2000 ℃ le ath-eagrachadh ataman carbon. Ach, nuair a bhios cuid de stuthan carbon a’ grafaiteachadh aig teòthachd àrd os cionn 3000 ℃, canar “gual-fhiodha cruaidh” ris an t-seòrsa stuth carbon seo. Airson stuthan carbon a tha furasta an grafaiteachadh, tha na dòighean grafaiteachaidh traidiseanta a’ toirt a-steach teòthachd àrd agus bruthadh àrd, grafaiteachadh catalaíoch, agus tasgadh smùid ceimigeach.
Tha grafaiteachadh na dhòigh èifeachdach airson luach-leasaichte àrd a chleachdadh bho stuthan gualaineach. Às dèidh rannsachadh farsaing agus domhainn le sgoilearan, tha e cha mhòr air aibidh a-nis. Ach, tha cuid de nithean mì-fhàbharach a’ cuingealachadh cleachdadh grafaiteachadh traidiseanta ann an gnìomhachas, agus mar sin tha e na ghluasad do-sheachanta dòighean ùra grafaiteachaidh a rannsachadh.
Tha an dòigh electrolysis salainn leaghte air a bhith còrr is ceud bliadhna de leasachadh bhon 19mh linn, agus tha a teòiridh bhunasach agus dòighean ùra an-còmhnaidh air an leasachadh agus air an leasachadh. Chan eil e a-nis air a chuingealachadh ris a’ ghnìomhachas meatailteachd traidiseanta. Aig toiseach an 21mh linn, tha ullachadh lughdachadh electrolytic ocsaid chruaidh meatailtean eileamaideach ann an siostam salainn leaghte air a bhith na phrìomh fhòcas.
O chionn ghoirid, tha dòigh ùr air stuthan grafait ullachadh le electrolysis salainn leaghte air mòran aire a tharraing.
Tro bhith a’ cleachdadh polarachadh cathodic agus electrodeposition, tha an dà sheòrsa eadar-dhealaichte de stuthan amh gualain air an cruth-atharrachadh gu stuthan nano-grafait le luach-leasaichte àrd. An coimeas ris an teicneòlas grafaiteachaidh traidiseanta, tha buannachdan aig an dòigh grafaiteachaidh ùr leithid teòthachd grafaiteachaidh nas ìsle agus morf-eòlas a ghabhas smachdachadh.
Tha am pàipear seo a’ dèanamh ath-sgrùdadh air adhartas grafaiteachadh leis an dòigh dealan-cheimigeach, a’ toirt a-steach an teicneòlas ùr seo, a’ dèanamh anailis air na buannachdan agus na h-eas-bhuannachdan a th’ aige, agus a’ ro-innse mar a bhios e a’ leasachadh san àm ri teachd.
An toiseach, dòigh polarachaidh catod electrolytic salainn leaghte
1.1 an stuth amh
An-dràsta, is e còc snàthaid agus còc pice le ìre grafaiteachaidh àrd am prìomh stuth amh airson grafait fuadain, is e sin le bhith a’ cleachdadh fuigheall ola agus tar guail mar stuth amh gus stuthan gualain àrd-inbhe a thoirt gu buil, le porosity ìosal, sulfur ìosal, susbaint luaithre ìosal agus buannachdan grafaiteachaidh, às deidh a bhith air ullachadh gu grafait tha deagh sheasamh an aghaidh buaidh, neart meacanaigeach àrd, agus strì an aghaidh ìosal aige.
Ach, tha glè bheag de stòrasan ola agus prìsean ola caochlaideach air a leasachadh a chuingealachadh, agus mar sin tha a bhith a’ sireadh stuthan amh ùra air a bhith na dhuilgheadas èiginneach a dh’ fheumar fhuasgladh.
Tha crìochan aig dòighean grafaiteachaidh traidiseanta, agus bidh diofar dhòighean grafaiteachaidh a’ cleachdadh diofar stuthan amh. Airson carbon neo-ghraifichte, is gann gun urrainn do dhòighean traidiseanta a ghrafaiteachadh, agus tha foirmle electroceimiceach electrolysis salainn leaghte a’ briseadh tro chrìochan stuthan amh, agus tha e freagarrach airson cha mhòr a h-uile stuth carbon traidiseanta.
Am measg nan stuthan gualain traidiseanta tha gual-dubh, gual-ghnìomhaichte, gual, msaa., agus is e gual an fheadhainn as gealltanach. Bidh an inc stèidhichte air gual a’ cleachdadh gual mar ro-ruithear agus ga ullachadh gu bhith na thoraidhean grafait aig teòthachd àrd às deidh ro-làimhseachadh.
O chionn ghoirid, tha am pàipear seo a’ moladh dòighean ùra dealan-cheimigeach, leithid Peng, nach eil e coltach gun tèid carbon dubh a ghrafaiteach gu bhith na ghrafait le dealan-shlaodadh salainn leaghte, agus tha farsaingeachd uachdar sònraichte àrd aig dealan-shlaodadh shamhlaichean grafait anns a bheil sgoltagan nanometer grafait cumadh peatail, agus nuair a thèid an cleachdadh ann am bataraidhean lithium, tha coileanadh dealan-cheimigeach sàr-mhath aige nas fheàrr na grafait nàdarra.
Chuir Zhu et al. an gual ìosal-inbhe air a làimhseachadh le dì-luaithre ann an siostam salainn leaghte CaCl2 airson electrolysis aig 950 ℃, agus thionndaidh iad gu soirbheachail an gual ìosal-inbhe gu grafait le criostalachd àrd, a sheall deagh choileanadh ìre agus beatha cearcall fada nuair a chaidh a chleachdadh mar anod bataraidh lithium-ion.
Tha an deuchainn a’ sealltainn gu bheil e comasach diofar sheòrsaichean de stuthan gualain traidiseanta a thionndadh gu grafait le bhith a’ cleachdadh electrolysis salainn leaghte, a tha a’ fosgladh dòigh ùr airson grafait sintéiseach san àm ri teachd.
1.2 an dòigh-obrach aig
Bidh an dòigh electrolysis salainn leaghte a’ cleachdadh stuth gualain mar chatod agus ga thionndadh gu grafait le criostalachd àrd tro pholarachadh cathodach. An-dràsta, tha an litreachas a th’ ann mar-thà a’ toirt iomradh air toirt air falbh ocsaidean agus ath-eagrachadh fad-astar de ataman gualain ann am pròiseas tionndaidh a dh’ fhaodadh a bhith ann airson polarachadh cathodach.
Cuiridh làthaireachd ocsaidean ann an stuthan gualain bacadh air grafaiteachadh gu ìre. Anns a’ phròiseas grafaiteachaidh traidiseanta, thèid ocsaidean a thoirt air falbh mean air mhean nuair a bhios an teòthachd nas àirde na 1600K. Ach, tha e air leth goireasach dì-ocsaideanachadh tro phoilearachadh cathodach.
Anns na deuchainnean, chuir Peng, msaa., an dòigh-obrach poilitigs cathodic electrolysis salainn leaghte air adhart airson a’ chiad uair. ’S e sin, ’s e an t-àite as fheàrr airson tòiseachadh le grafaiteachadh a bhith suidhichte air an eadar-aghaidh eadar meanbh-shfèaran gualain cruaidh agus an electrolyte. An toiseach, bidh meanbh-shfèaran gualain a’ cruthachadh timcheall air slige grafait den aon trast-thomhas, agus an uairsin bidh ataman gualain gun uisge seasmhach a’ sgaoileadh gu bhith nan sgoltagan grafait a-muigh nas seasmhaiche, gus am bi iad air an grafaiteachadh gu tur.
Tha am pròiseas grafaiteachaidh an cois toirt air falbh ocsaidean, a tha cuideachd air a dhearbhadh le deuchainnean.
Dhearbh Jin et al. am beachd seo tro dheuchainnean cuideachd. Às dèidh carbonachadh glùcois, chaidh grafaiteachadh (17% susbaint ocsaidean) a dhèanamh. Às dèidh grafaiteachadh, chruthaich na cruinneagan gualain cruaidh tùsail (Figear 1a agus 1c) slige sùghach air a dhèanamh suas de nano-dhuilleagan grafait (Figear 1b agus 1d).
Le bhith a’ dealanachadh snàithleanan gualain (16% ogsaidean), faodar na snàithleanan gualain a thionndadh gu tiùban grafait às dèidh grafaiteachadh a rèir an dòigh-tionndaidh a tha air a mhìneachadh anns an litreachas.
Thathar a’ creidsinn, gu bheil gluasad fad-astar fo pholarachadh cathodic de ataman gualain, agus feumar ath-eagrachadh bho ghrafait criostail àrd gu gualain neo-chruthach, agus gu bheil cruth nan nano-structaran sònraichte aig peatalan grafait sintéiseach a’ faighinn buannachd bho ataman ogsaidean, ach chan eil e soilleir ciamar a bheir e buaidh air structar nanometer grafait, leithid mar a bhios ogsaidean a’ tighinn bho chnàimhneach a’ chatod às dèidh ath-bhualadh gualain, msaa.
An-dràsta, tha an rannsachadh air a’ mheacanism fhathast aig ìre thràth, agus tha feum air tuilleadh rannsachaidh.
1.3 Comharrachadh morf-eòlach grafait shintéiseach
Bithear a’ cleachdadh SEM gus moirfeòlas uachdar microscopach grafait fhaicinn, thathar a’ cleachdadh TEM gus moirfeòlas structarail nas lugha na 0.2 μm fhaicinn, is e speactroscopaidh XRD agus Raman na dòighean as cumanta airson meanbh-structar grafait a chomharrachadh, thathar a’ cleachdadh XRD gus fiosrachadh criostail grafait a chomharrachadh, agus thathar a’ cleachdadh speactroscopaidh Raman gus lochdan agus ìre òrd grafait a chomharrachadh.
Tha mòran phòran anns a’ ghrafait a chaidh ullachadh le bhith a’ cleachdadh poilearachd catod air electrolysis salainn leaghte. Airson diofar stuthan amh, leithid electrolysis air carbon dubh, gheibhear nanostructaran porous coltach ri peatal. Thèid mion-sgrùdadh XRD agus speactram Raman a dhèanamh air a’ charbon dubh às dèidh electrolysis.
Aig 827 ℃, an dèidh a bhith air a làimhseachadh le bholtadh 2.6V airson 1 uair, tha ìomhaigh speactram Raman de charbon dubh cha mhòr an aon rud ri ìomhaigh grafait mhalairteach. Às dèidh don charbon dubh a bhith air a làimhseachadh le diofar theodhachdan, thèid am bàrr geur aig feart grafait (002) a thomhas. Tha am bàrr diffraction (002) a’ riochdachadh ìre treòrachaidh an t-sreath charbon aramatach ann an grafait.
Mar as géire a tha an còmhdach gualain, ’s ann as treòraichte a tha e.
Chleachd Zhu an gual ìochdaranach glan mar an catod san deuchainn, agus chaidh meanbh-structar an toraidh grafaitichte atharrachadh bho structar gràinneach gu structar grafait mòr, agus chaidh an sreath teann grafait fhaicinn cuideachd fon mhiocroscop dealanach tar-chuir aig ìre àrd.
Ann an speactra Raman, le atharrachadh nan suidheachaidhean deuchainneach, dh’atharraich an luach ID/Ig cuideachd. Nuair a bha an teòthachd electrolytic 950 ℃, b’ e 6 uairean an ùine electrolytic, agus b’ e 2.6V am bholtadh electrolytic, b’ e 0.3 an luach ID/Ig as ìsle, agus bha am bàrr D mòran nas ìsle na am bàrr G. Aig an aon àm, bha coltas bàrr 2D cuideachd a’ riochdachadh cruthachadh structar grafait air a dheagh òrdachadh.
Tha am bàrr geur diffraction (002) san ìomhaigh XRD cuideachd a’ dearbhadh gu bheil gual ìosal air a thionndadh gu grafait le criostalachd àrd.
Anns a’ phròiseas grafaiteachaidh, bidh àrdachadh ann an teòthachd agus bholtaids a’ cluich pàirt brosnachaidh, ach lughdaichidh bholtaids ro àrd toradh grafait, agus bidh teòthachd ro àrd no ùine grafaiteachaidh ro fhada ag adhbhrachadh sgudal ghoireasan, agus mar sin airson diofar stuthan gualain, tha e gu sònraichte cudromach sgrùdadh a dhèanamh air na suidheachaidhean electrolytic as freagarraiche, agus is e sin cuideachd am prìomh fhòcas agus an duilgheadas.
Tha feartan dealan-cheimigeach sàr-mhath aig an nano-structar seo, coltach ri flagan, a tha coltach ri peatal. Leigidh àireamh mhòr de phòran le ianan a bhith air an cur a-steach/air an dì-leabachadh gu sgiobalta, a’ toirt seachad stuthan catod àrd-inbhe airson bataraidhean, msaa. Mar sin, tha grafaiteachadh na dhòigh dealan-cheimigeach na dhòigh grafaiteachaidh a tha glè chomasach.
Modh electrodeposition salainn leaghte
2.1 Dealan-thasgadh charboin dà-ogsaid
Mar an gas taigh-glainne as cudromaiche, tha CO2 cuideachd na ghoireas ath-nuadhachail neo-phuinnseanta, gun chron, saor agus furasta fhaighinn. Ach, tha carbon ann an CO2 anns an ìre ocsaididh as àirde, agus mar sin tha seasmhachd teirmeadainimigeach àrd aig CO2, a tha ga dhèanamh duilich ath-chleachdadh.
'S urrainnear a' chiad rannsachadh air dealan-leaghadh CO2 a lorg air ais gu na 1960an. Shoirbhich le Ingram et al. carbon ullachadh air dealan òir ann an siostam salainn leaghte Li2CO3-Na2CO3-K2CO3.
Chomharraich Van et al. gu robh structaran eadar-dhealaichte aig pùdar gualain a fhuaireadh aig diofar chomasan lughdachadh, a’ gabhail a-steach grafait, carbon neo-chruthach agus nano-shnàithleanan gualain.
Le bhith a’ cleachdadh salann leaghte gus CO2 a ghlacadh agus dòigh ullachaidh stuthan gualain a tha air soirbheachadh, às dèidh ùine mhòr de rannsachadh a dhèanamh air meacanaig cruthachadh tasgadh gualain agus buaidh shuidheachaidhean electrolysis air an toradh deireannach, a’ gabhail a-steach teòthachd electrolytic, bholtaids electrolytic agus co-dhèanamh salann leaghte agus electrodan, msaa., tha bunait làidir air a bhith ann airson ullachadh stuthan grafait àrd-choileanaidh airson electrodeposition CO2.
Le bhith ag atharrachadh an electrolyte agus a’ cleachdadh siostam salainn leaghte stèidhichte air CaCl2 le èifeachdas glacaidh CO2 nas àirde, dh’ullaich Hu et al. graphene gu soirbheachail le ìre grafaiteachaidh nas àirde agus nanotubes gualain agus structaran nanografait eile le bhith a’ sgrùdadh shuidheachaidhean electrolytic leithid teòthachd electrolysis, co-dhèanamh electrod agus co-dhèanamh salainn leaghte.
An coimeas ri siostam carbonate, tha buannachdan aig CaCl2 leithid saor agus furasta fhaighinn, seoltachd àrd, furasta a sgaoileadh ann an uisge, agus solubilachd nas àirde de ianan ocsaidean, a bheir seachad suidheachaidhean teòiridheach airson CO2 a thionndadh gu toraidhean grafait le luach-leasaichte àrd.
2.2 Inneal-atharrachaidh
Tha glacadh CO2 agus lughdachadh neo-dhìreach sa mhòr-chuid ann an ullachadh stuthan gualain le luach àrd le bhith a’ dealachadh CO2 bho shalainn leaghte. Tha glacadh CO2 air a chrìochnachadh le O2- saor ann an salann leaghte, mar a chithear ann an Co-aontar (1):
CO2+O2-→CO3 2- (1)
An-dràsta, chaidh trì dòighean-obrach lughdachadh neo-dhìreach a mholadh: ath-bhualadh aon-cheum, ath-bhualadh dà-cheum agus dòigh-obrach ath-bhualadh lughdachadh meatailt.
Chaidh an dòigh-obrach ath-bhualadh aon-cheum a mholadh an toiseach le Ingram, mar a chithear ann an Co-aontar (2):
CO3 2-+ 4E – →C+3O2- (2)
Chaidh an dòigh-obrach ath-bhualadh dà-cheum a mholadh le Borucka et al., mar a chithear ann an Co-aontar (3-4):
CO3 2-+ 2E – →CO2 2-+O2- (3)
CO2 2-+ 2E – →C+2O2- (4)
Chaidh meacanaig ath-bhualadh lughdachadh meatailt a mholadh le Deanhardt et al. Bha iad den bheachd gun deach ianan meatailt a lughdachadh an toiseach gu meatailt anns a’ chatod, agus an uairsin gun deach am meatailt a lughdachadh gu ianan carbonat, mar a chithear ann an Co-aontar (5~6):
M- + E – →M (5)
4m + M2CO3 – > C + 3m2o (6)
An-dràsta, tha an dòigh-obrach ath-bhualadh aon-cheum air gabhail ris gu coitcheann anns an litreachas a th’ ann mar-thà.
Rinn Yin et al. sgrùdadh air an t-siostam carbonate Li-Na-K le nicil mar chatod, dà-ogsaid staoin mar anod agus uèir airgid mar electrod iomraidh, agus fhuair iad am figear deuchainn bholtammetry cearcallach ann am Figear 2 (ìre sganaidh de 100 mV/s) aig catod nicil, agus lorg iad nach robh ach aon mhullach lughdachadh (aig -2.0V) anns an sganadh àicheil.
Mar sin, faodar a cho-dhùnadh nach do thachair ach aon ath-bhualadh rè lughdachadh carbonat.
Fhuair Gao et al. an aon bholtammetry cearcallach san aon shiostam carbonate.
Chleachd Ge et al. anod neo-ghnìomhach agus catod tungsten gus CO2 a ghlacadh anns an t-siostam LiCl-Li2CO3 agus fhuair iad ìomhaighean coltach ris, agus cha robh ach bàrr lughdachadh de thasgadh gualain a nochd anns an sganadh àicheil.
Anns an t-siostam salainn leaghte meatailt alcalach, thèid meatailtean alcalach agus CO a chruthachadh fhad ‘s a thèid carbon a thasgadh leis a’ chatod. Ach, leis gu bheil na suidheachaidhean teirmeadainimigeach de ath-bhualadh tasgadh carbon nas ìsle aig teòthachd nas ìsle, chan urrainnear ach lughdachadh carbonat gu carbon a lorg san deuchainn.
2.3 Glacadh CO2 le salann leaghte gus toraidhean grafait ullachadh
Faodar nano-stuthan grafait àrd-luach-leasaichte leithid grafein agus nanotuban gualain ullachadh le bhith a’ dealachadh CO2 bho shalainn leaghte le bhith a’ cumail smachd air suidheachaidhean deuchainneach. Chleachd Hu et al. stàilinn gun smal mar chatod anns an t-siostam salainn leaghte CaCl2-NaCl-CaO agus chaidh a dealachadh airson 4 uairean fo chumha bholtaids seasmhach 2.6V aig diofar theodhachdan.
Le taing do chataladh iarainn agus buaidh spreadhaidh CO eadar sreathan grafait, chaidh grafait a lorg air uachdar a’ chatòid. Tha am pròiseas ullachaidh airson grafait air a shealltainn ann am Figear 3.
An dealbh
Ann an sgrùdaidhean nas fhaide air adhart, chaidh Li2SO4 a chur ris an t-siostam salainn leaghte CaCl2-NaClCaO, agus b’ e 625 ℃ an teòthachd electrolysis. Às dèidh 4 uairean a thìde de electrolysis, chaidh grafàin agus nanotuban carbain a lorg aig an aon àm ann an tasgadh cathodic carbon. Lorg an sgrùdadh gu robh buaidh mhath aig Li+ agus SO42- air grafaiteachadh.
Tha sulfar cuideachd air a thoirt a-steach gu soirbheachail ann am bodhaig a’ charboin, agus gheibhear siotaichean grafait tana agus carbon filamentous le bhith a’ cumail smachd air na suidheachaidhean electrolytic.
Tha teòthachd àrd is ìosal stuthan leithid electrolytic deatamach airson graphene a chruthachadh. Nuair a tha an teòthachd os cionn 800 ℃, tha e nas fhasa CO a chruthachadh an àite carbon. Cha mhòr nach eil tasgadh carbon ann nuair a tha an teòthachd os cionn 950 ℃. Mar sin, tha smachd teothachd air leth cudromach airson graphene agus nanotubes carbon a thoirt gu buil, agus gus an ath-obrachadh tasgadh carbon a tha a dhìth a thoirt air ais, tha sin a’ dèanamh cinnteach gu bheil an catod a’ gineadh graphene seasmhach.
Tha na h-obraichean seo a’ toirt seachad dòigh ùr airson toraidhean nano-grafait ullachadh le CO2, rud a tha air leth cudromach airson fuasgladh ghasaichean taigh-glainne agus ullachadh grafein.
3. Geàrr-chunntas agus Sealladh
Le leasachadh luath gnìomhachas lùtha ùr, chan eil grafait nàdarra air a bhith comasach air coinneachadh ris an iarrtas làithreach, agus tha feartan corporra is ceimigeach nas fheàrr aig grafait fuadain na grafait nàdarra, agus mar sin tha grafaiteachadh saor, èifeachdach agus càirdeil don àrainneachd na amas fad-ùine.
Chaidh grafaiteachadh ann an stuthan amh cruaidh is gasach le dòighean polarization cathodic agus tasgadh electroceimiceach a thoirt a-mach gu soirbheachail bho na stuthan grafait le luach-leasaichte àrd, an taca ris an dòigh thraidiseanta air grafaiteachadh, tha an dòigh electroceimiceach nas èifeachdaiche, nas ìsle na an dòigh lùtha, agus tha e uaine airson an àrainneachd. Aig an aon àm, faodar stuthan beaga a thaghadh le diofar mhoirfeòlasan structar grafait, a rèir nan diofar shuidheachaidhean electrolysis.
Tha e a’ toirt seachad dòigh èifeachdach airson a h-uile seòrsa de charbon neo-chruthach agus gasaichean taigh-glainne a thionndadh gu stuthan grafait nano-structaraichte luachmhor agus tha deagh chothrom tagraidh aige.
An-dràsta, tha an teicneòlas seo na leanabh. Chan eil mòran sgrùdaidhean ann air grafaiteachadh leis an dòigh electroceimiceach, agus tha mòran phròiseasan nach eil aithnichte fhathast. Mar sin, tha e riatanach tòiseachadh bho stuthan amh agus sgrùdadh coileanta agus siostamach a dhèanamh air diofar charbonan neo-chruthach, agus aig an aon àm sgrùdadh a dhèanamh air teirmodynamics agus daineamaigs tionndadh grafait aig ìre nas doimhne.
Tha cudromachd fharsaing aig na rudan sin airson leasachadh gnìomhachas grafait san àm ri teachd.
Àm postaidh: 10 Cèitean 2021