Tá graifít roinnte ina ghraifít shaorga agus graifít nádúrtha, agus is ionann cúlchistí cruthaithe an domhain de ghraifít nádúrtha agus thart ar 2 bhilliún tonna.
Faightear graifít shaorga trí dhianscaoileadh agus cóireáil teasa ábhar ina bhfuil carbón faoi bhrú gnáth. Éilíonn an claochlú seo teocht agus fuinneamh ard go leor mar fhórsa tiomána, agus déanfar an struchtúr neamhordúil a chlaochlú ina struchtúr criostail graifíte ordaithe.
Is éard atá i gceist le graifítiú, sa chiall is leithne, ná athchóiriú adaimh charbóin ar ábhair charbónacha ag teocht ard os cionn 2000 ℃. Mar sin féin, nuair a bhíonn roinnt ábhar carbóin ag graifítiú ag teocht ard os cionn 3000 ℃, tugtar "gualaigh chrua" ar an gcineál seo ábhar carbóin. Maidir le hábhair charbóin atá furasta a ghraifítiú, áirítear leis an modh graifítithe traidisiúnta ardteochta agus ardbhrú, graifítiú catalaíoch, agus modh taiscthe gaile ceimicigh.
Is bealach éifeachtach é an graifítiú chun úsáid ardluacha a bhaint as ábhair charbónacha. Tar éis taighde fairsing agus domhain ag scoláirí, tá sé aibí anois den chuid is mó. Mar sin féin, cuireann roinnt fachtóirí neamhfhabhracha srian le cur i bhfeidhm an ghraifítithe thraidisiúnta sa tionscal, mar sin is treocht dosheachanta é modhanna nua graifítithe a iniúchadh.
Tá an modh leictrealú salainn leáite tar éis breis agus céad bliain d'fhorbairt ó thús an 19ú haois. Tá a theoiric bhunúsach agus a modhanna nua á bhforbairt i gcónaí. Níl sé teoranta a thuilleadh don tionscal miotalóireachta traidisiúnta. Ag tús an 21ú haois, tá an fócas ar ullmhúchán laghdaithe leictrealaíoch ocsaíd sholadaigh miotail eiliminteacha i gcóras salainn leáite.
Le déanaí, tá aird mhór tarraingthe ar mhodh nua chun ábhair ghraifíte a ullmhú trí leictrealú salainn leáite.
Trí pholairiú catóideach agus leictrea-leagan, déantar na dhá chineál éagsúla amhábhar carbóin a chlaochlú ina n-ábhair nana-ghraifíte a bhfuil breisluach ard acu. I gcomparáid leis an teicneolaíocht ghraifítithe traidisiúnta, tá na buntáistí ag an modh graifítithe nua go bhfuil teocht ghraifítithe níos ísle agus moirfeolaíocht inrialaithe aige.
Déanann an páipéar seo athbhreithniú ar dhul chun cinn na graifítíse tríd an modh leictriceimiceach, tugtar isteach an teicneolaíocht nua seo, déantar anailís ar a buntáistí agus a míbhuntáistí, agus déantar réamhaisnéis ar a treocht forbartha amach anseo.
Ar dtús, modh polaraithe catóide leictrealaíoch salainn leáite
1.1 an t-amhábhar
Faoi láthair, is é cóic snáthaide agus cóic pice a bhfuil céim ard graifítithe acu an príomh-amhábhar le haghaidh graifít shaorga, eadhon trí iarmhar ola agus tarra guail mar amhábhar chun ábhair charbóin ardchaighdeáin a tháirgeadh, le tréscaoilteacht íseal, sulfair íseal, cion íseal fuinseoige agus buntáistí graifítithe, tar éis a ullmhú ina ghraifít tá friotaíocht mhaith aige in aghaidh tionchair, neart meicniúil ard, agus friotaíocht íseal,
Mar sin féin, tá srian curtha ar a fhorbairt ag cúlchistí ola teoranta agus praghsanna ola luaineacha, mar sin tá cuardach a dhéanamh ar amhábhair nua ina fhadhb phráinneach le réiteach.
Tá teorainneacha ag baint le modhanna graifítithe traidisiúnta, agus úsáideann modhanna graifítithe éagsúla amhábhair éagsúla. I gcás carbóin neamhghraifítithe, is ar éigean is féidir le modhanna traidisiúnta é a ghraifítiú, agus briseann foirmle leictriceimiceach leictrealú salainn leáite trí theorainneacha na n-amhábhar, agus tá sé oiriúnach do bheagnach gach ábhar carbóin traidisiúnta.
I measc na n-ábhar carbóin traidisiúnta tá dubh carbóin, carbón gníomhachtaithe, gual, etc., agus is é gual an ceann is geallta ina measc. Glacann an dúch bunaithe ar ghual gual mar réamhtheachtaí agus ullmhaítear táirgí graifíte ag teocht ard tar éis réamhchóireála.
Le déanaí, moltar sa pháipéar seo modhanna leictriceimiceacha nua, amhail Peng, nach dócha go ndéanfadh leictrealú salainn leáite carbóin dubh a ghraifítiú i gcriostalacht ard graifíte. Tá achar dromchla sonrach ard ag leictrealú samplaí graifíte ina bhfuil sceallóga nanaiméadar graifíte cruth peitil, agus nuair a úsáidtear catóid le haghaidh ceallraí litiam, léirigh sé feidhmíocht leictriceimiceach den scoth ná graifít nádúrtha.
Chuir Zhu et al. an gual ísealchaighdeáin a ndearnadh díluaithreachú air i gcóras salainn leáite CaCl2 le haghaidh leictrealú ag 950 ℃, agus d’éirigh leo an gual ísealchaighdeáin a chlaochlú go graifít le criostalachas ard, rud a léirigh feidhmíocht ráta mhaith agus saolré timthriall fada nuair a úsáideadh é mar anóid ceallraí ian litiam.
Léiríonn an turgnamh gur féidir cineálacha éagsúla ábhar carbóin traidisiúnta a thiontú ina ghraifít trí leictrealú salainn leáite, rud a osclaíonn bealach nua do ghraifít shintéiseach amach anseo.
1.2 an mheicníocht
Úsáideann an modh leictrealú salainn leáite ábhar carbóin mar chatóid agus déantar é a thiontú ina ghraifít le criostalachas ard trí pholairiú catóideach. Faoi láthair, luaitear sa litríocht atá ann cheana féin baint ocsaigine agus athchóiriú fad-achair adaimh charbóin sa phróiseas tiontaithe féideartha de pholairiú catóideach.
Cuirfidh láithreacht ocsaigine in ábhair charbóin bac ar ghraifítiú go pointe áirithe. Sa phróiseas graifítithe traidisiúnta, baintear ocsaigin go mall nuair a bhíonn an teocht níos airde ná 1600K. Mar sin féin, tá sé thar a bheith áisiúil dí-ocsaídiú a dhéanamh trí pholairiú catóideach.
Sna turgnaimh, chuir Peng etc. an meicníocht phoitéinsil pholairithe catóideach leictrealú salainn leáite chun cinn den chéad uair. Is é sin, is é an chéad áit le tosú ná graifítiú a lonnú ar chomhéadan micrisféirí carbóin soladacha/leictrilít. Ar dtús, cruthaítear micrisféirí carbóin timpeall ar bhlaosc graifíte den trastomhas céanna, agus ansin scaipeann adaimh charbóin anhidriúil chobhsaí go calóga graifíte seachtracha níos cobhsaí, go dtí go ndéantar graifítiú iomlán.
Tá baint ocsaigine ag gabháil leis an bpróiseas graifítithe, rud a dheimhnítear freisin le turgnaimh.
Chruthaigh Jin et al. an dearcadh seo trí thurgnaimh freisin. Tar éis carbónú glúcóis, rinneadh graifítiú (ábhar ocsaigine 17%). Tar éis graifítiú, chruthaigh na sféir charbóin sholadaigh bhunaidh (Fíor 1a agus 1c) sliogán scagach comhdhéanta de nana-bhileoga graifíte (Fíor 1b agus 1d).
Trí leictrealú snáithíní carbóin (16% ocsaigin), is féidir na snáithíní carbóin a thiontú ina bhfeadáin ghraifíte tar éis graifítithe de réir an mheicníocht chomhshó a bhfuiltear ag tuairimíocht sa litríocht.
Creidtear go bhfuil gluaiseacht fad-achair faoi pholairiú catóideach adaimh charbóin, agus go gcaithfear athchóiriú criostail ard graifíte go carbóin neamhchruthach a phróiseáil. Baintear leas as cruth peitil uathúil graifíte sintéiseach ó adaimh ocsaigine, ach níl sé soiléir conas go sonrach tionchar a imirt ar struchtúr nana-mhéadair graifíte, amhail conas a imoibríonn ocsaigin ón gcnámharlach catóide tar éis imoibriú carbóin, etc.
Faoi láthair, tá an taighde ar an meicníocht fós sa chéim tosaigh, agus tá gá le tuilleadh taighde.
1.3 Saintréithiú moirfeolaíoch graifít shintéiseach
Úsáidtear SEM chun moirfeolaíocht dhromchla mhicreascópach graifíte a bhreathnú, úsáidtear TEM chun moirfeolaíocht struchtúrach níos lú ná 0.2 μm a bhreathnú, is iad speictreascópacht XRD agus Raman na modhanna is coitianta a úsáidtear chun micreastruchtúr graifíte a thréithriú, úsáidtear XRD chun faisnéis criostail graifíte a thréithriú, agus úsáidtear speictreascópacht Raman chun lochtanna agus céim ordaithe graifíte a thréithriú.
Tá go leor póir sa ghraifít a ullmhaítear trí pholairiú catóide le leictrealú salainn leáite. I gcás amhábhair éagsúla, amhail leictrealú carbóin dhubh, faightear nanastruchtúir phóiriúla cosúil le peitil. Déantar anailís XRD agus speictrim Raman ar an gcarbóin dhubh tar éis an leictrealú.
Ag 827 ℃, tar éis dó a bheith á chóireáil le voltas 2.6V ar feadh 1 uair an chloig, tá íomhá speictreach Raman an charbóin dhuibh beagnach mar an gcéanna le híomhá speictreach graifíte tráchtála. Tar éis an carbóin dhubh a chóireáil ag teochtaí difriúla, déantar buaic tréith géar na graifíte (002) a thomhas. Léiríonn an buaic difreactachta (002) céim threoshuímh an tsraith charbóin aramataigh sa ghraifít.
Dá géire an ciseal carbóin, is ea is treoshuímh atá sé.
Bhain Zhu úsáid as an gual íochtarach íonaithe mar an catóid sa turgnamh, agus rinneadh micreastruchtúr an táirge graifítithe a chlaochlú ó struchtúr gráinneach go struchtúr graifíte mór, agus breathnaíodh an ciseal graifíte dlúth faoin micreascóp leictreon tarchuir ardráta freisin.
I speictream Raman, de réir mar a athraíodh na coinníollacha turgnamhacha, d'athraigh an luach ID/Ig freisin. Nuair a bhí an teocht leictrealaíoch 950 ℃, ba é 6h an t-am leictrealaíoch, agus ba é 2.6V an voltas leictrealaíoch, ba é 0.3 an luach ID/Ig is ísle, agus bhí an buaic D i bhfad níos ísle ná an buaic G. Ag an am céanna, léirigh cuma an bhuaic 2D foirmiú struchtúir graifíte ard-ordaithe freisin.
Deimhníonn an buaic ghéar difreactachta (002) san íomhá XRD freisin gur éirigh le gual neamhchothrom a thiontú ina ghraifít le criostalachas ard.
Sa phróiseas graifítithe, beidh ról chun cinn ag méadú teochta agus voltais, ach laghdóidh voltas ró-ard toradh na graifíte, agus beidh cur amú acmhainní mar thoradh ar theocht ró-ard nó ar am graifítithe ró-fhada, mar sin i gcás ábhar carbóin éagsúla, tá sé thar a bheith tábhachtach na coinníollacha leictrealaíocha is oiriúnaí a iniúchadh, rud a chuireann fócas agus deacracht ar fáil freisin.
Tá airíonna leictriceimiceacha den scoth ag an nana-struchtúr calógach seo atá cosúil le peitil. Ligeann líon mór póir do na hiain a bheith curtha isteach/dí-leabaithe go tapa, rud a sholáthraíonn ábhair chatóide ardchaighdeáin do chadhnraí, etc. Dá bhrí sin, is modh graifítithe an-acmhainneach é an modh leictriceimiceach graifítithe.
Modh leictreaphostáil salainn leáite
2.1 Leictrea-thaisceadh dé-ocsaíd charbóin
Mar an gás ceaptha teasa is tábhachtaí, is acmhainn in-athnuaite neamh-tocsaineach, neamhdhíobhálach, saor agus atá ar fáil go héasca é CO2. Mar sin féin, tá an carbóin i CO2 sa staid ocsaídiúcháin is airde, mar sin tá cobhsaíocht theirmidinimiciúil ard ag CO2, rud a fhágann go bhfuil sé deacair é a athúsáid.
Is féidir an taighde is luaithe ar leictrea-leagan CO2 a rianú siar go dtí na 1960idí. D'éirigh le Ingram et al. carbón a ullmhú ar leictreoid óir i gcóras salainn leáite Li2CO3-Na2CO3-K2CO3.
Thug Van et al. le fios go raibh struchtúir éagsúla ag na púdair charbóin a fuarthas ag poitéinsil laghdaithe éagsúla, lena n-áirítear graifít, carbóin neamhchruthach agus nana-shnáithíní carbóin.
Trí úsáid a bhaint as salann leáite chun CO2 a ghabháil agus as an modh ullmhúcháin chun ábhar carbóin a ullmhú go rathúil, tá taighde déanta ag scoláirí ar feadh tréimhse fada agus iad ag díriú ar mheicníocht foirmithe taiscthe carbóin agus ar thionchar na ndálaí leictrealú ar an táirge deiridh, lena n-áirítear teocht leictrealaíoch, voltas leictrealaíoch agus comhdhéanamh an tsalainn leáite agus na leictreoidí, agus mar sin de, agus tá bunús láidir leagtha síos maidir le hullmhú ábhar graifíte ardfheidhmíochta le haghaidh leictrealú CO2.
Trí an leictrilít a athrú agus córas salainn leáite bunaithe ar CaCl2 a úsáid le héifeachtúlacht ghabhála CO2 níos airde, d’éirigh le Hu et al. graifín le céim graifítithe níos airde agus nana-fheadáin charbóin agus struchtúir nanagrafaíte eile a ullmhú trí dhálaí leictrealaíocha amhail teocht an leictrealú, comhdhéanamh an leictreoid agus comhdhéanamh an tsalainn leáite a staidéar.
I gcomparáid le córas carbónáite, tá na buntáistí ag CaCl2 go bhfuil sé saor agus éasca le fáil, go bhfuil sé seoltacht ard, go bhfuil sé éasca le tuaslagadh in uisce, agus go bhfuil intuaslagthacht níos airde ag iain ocsaigine, rud a sholáthraíonn coinníollacha teoiriciúla chun CO2 a thiontú ina tháirgí graifíte le breisluach ard.
2.2 Sásra Claochlaithe
Áirítear go príomha le hullmhú ábhar carbóin ard-bhreisluacha trí leictrea-dheisiú CO2 ó shalann leáite gabháil CO2 agus laghdú indíreach. Déantar gabháil CO2 a chomhlánú le O2- saor in aisce i salann leáite, mar a thaispeántar i gCothromóid (1):
CO2+O2-→CO3 2- (1)
Faoi láthair, tá trí mheicníocht imoibrithe laghdaithe indíreacha molta: imoibriú aonchéime, imoibriú dhá chéim agus meicníocht imoibrithe laghdaithe miotail.
Moladh an mheicníocht imoibrithe aonchéime den chéad uair ag Ingram, mar a thaispeántar i gCothromóid (2):
CO3 2-+ 4E – →C+3O2- (2)
Mhol Borucka et al. an mheicníocht imoibrithe dhá chéim, mar a thaispeántar i gCothromóid (3-4):
CO3 2-+ 2E – →CO2 2-+O2- (3)
CO2 2-+ 2E – →C+2O2- (4)
Mhol Deanhardt et al. meicníocht imoibriú laghdaithe miotail. Chreid siad gur laghdaíodh iain miotail ar dtús go miotal sa chatóid, agus ansin gur laghdaíodh an miotal go hiain charbónáit, mar a thaispeántar i gCothromóid (5~6):
M- + E – →M (5)
4 m + M2CO3 – > C + 3 m2o (6)
Faoi láthair, glactar go ginearálta leis an meicníocht imoibrithe aonchéime sa litríocht atá ann cheana féin.
Rinne Yin et al. staidéar ar an gcóras carbónáite Li-Na-K le nicil mar chatóid, dé-ocsaíd stáin mar anóid agus sreang airgid mar leictreoid tagartha, agus fuair siad an figiúr tástála voltaiméadrachta timthriallach i bhFíor 2 (ráta scanadh 100 mV/s) ag catóid nicil, agus fuarthas amach nach raibh ach buaic laghdaithe amháin (ag -2.0V) sa scanadh diúltach.
Dá bhrí sin, is féidir a thabhairt i gcrích nár tharla ach imoibriú amháin le linn laghdú carbónáite.
Fuair Gao et al. an voltaiméadracht chiorclach chéanna sa chóras carbónáite céanna.
Bhain Ge et al. úsáid as anóid támh agus catóid tungstain chun CO2 a ghabháil sa chóras LiCl-Li2CO3 agus fuair siad íomhánna comhchosúla, agus ní raibh ach buaic laghdaithe de thaisceadh carbóin le feiceáil sa scanadh diúltach.
Sa chóras salainn leáite miotail alcaileacha, ginfear miotail alcaileacha agus CO agus carbóin á thaisceadh ag an gcatóid. Mar sin féin, toisc go bhfuil na coinníollacha teirmidinimiciúla d'imoibriú taiscthe carbóin níos ísle ag teocht níos ísle, ní féidir ach laghdú carbónáite go carbón a bhrath sa turgnamh.
2.3 Gabháil CO2 le salann leáite chun táirgí graifíte a ullmhú
Is féidir nana-ábhair ghraifíte ardluacha amhail graifín agus nana-fheadáin charbóin a ullmhú trí leictrea-dheisiú CO2 ó shalann leáite trí dhálaí turgnamhacha a rialú. D'úsáid Hu et al. cruach dhosmálta mar chatóid sa chóras salainn leáite CaCl2-NaCl-CaO agus rinneadh leictrealú air ar feadh 4 uair an chloig faoi choinníoll voltais tairiseach 2.6V ag teochtaí éagsúla.
A bhuíochas le catalaíocht iarainn agus éifeacht phléascach CO idir sraitheanna graifíte, fuarthas graifín ar dhromchla an chatóide. Taispeántar próiseas ullmhúcháin graifíne i bhFíor 3.
An pictiúr
I staidéir níos déanaí, cuireadh Li2SO4 leis an gcóras salainn leáite CaCl2-NaClCaO, agus bhí an teocht leictrealú ag 625 ℃. Tar éis 4 uair an chloig leictrealú, fuarthas graifín agus nana-fheadáin charbóin le linn taiscthe catóideach carbóin ag an am céanna, agus fuarthas amach go raibh tionchar dearfach ag Li+ agus SO42- ar ghraifítiú.
Déantar sulfar a chomhtháthú go rathúil i gcorp an charbóin freisin, agus is féidir bileoga graifíte ultra-tanaí agus carbóin filiméadach a fháil trí na coinníollacha leictrealaíocha a rialú.
Tá teocht leictrealaíoch ard agus íseal ag baint le hábhair ar nós graifín ríthábhachtach chun graifín a fhoirmiú. Nuair a bhíonn an teocht os cionn 800 ℃, is fusa CO a ghiniúint in ionad carbóin. Ní bhíonn aon taisceadh carbóin ann nuair a bhíonn an teocht os cionn 950 ℃. Mar sin, tá rialú teochta thar a bheith tábhachtach chun graifín agus nana-fheadáin charbóin a tháirgeadh, agus sineirgíocht imoibriúcháin CO a athbhunú chun a chinntiú go ngineann an catóid graifín cobhsaí.
Cuireann na hoibreacha seo modh nua ar fáil chun táirgí nana-ghraifíte a ullmhú le CO2, rud atá thar a bheith tábhachtach chun gáis cheaptha teasa a thuaslagadh agus graifín a ullmhú.
3. Achoimre agus Forbhreathnú
Le forbairt thapa thionscal nua fuinnimh, níl graifít nádúrtha in ann freastal ar an éileamh reatha, agus tá airíonna fisiceacha agus ceimiceacha níos fearr ag graifít shaorga ná graifít nádúrtha, mar sin is sprioc fhadtéarmach é graifítiú saor, éifeachtach agus neamhdhíobhálach don chomhshaol.
Modhanna leictriceimiceacha graifítithe in amhábhair sholadacha agus ghásacha leis an modh polaraithe catóideach agus taiscthe leictriceimiceach, baineadh amach go rathúil ábhair ghraifíte le breisluach ard. I gcomparáid leis an modh traidisiúnta graifítithe, tá éifeachtúlacht níos airde, tomhaltas fuinnimh níos ísle, cosaint chomhshaoil ghlas ag an modh leictriceimiceach, agus teoranta do bheaga ábhair ag an am céanna, de réir na ndálaí leictrealú éagsúla is féidir iad a ullmhú ag moirfeolaíocht struchtúr graifíte difriúil.
Cuireann sé bealach éifeachtach ar fáil chun gach cineál carbóin neamhchruthach agus gás ceaptha teasa a thiontú ina n-ábhair ghraifíte nana-struchtúrtha luachmhara agus tá ionchas maith feidhme aige.
Faoi láthair, tá an teicneolaíocht seo ina tús. Is beag staidéar atá déanta ar ghraifítiú tríd an modh leictriceimiceach, agus tá go leor próiseas anaithnid ann fós. Dá bhrí sin, is gá tosú ó amhábhair agus staidéar cuimsitheach agus córasach a dhéanamh ar charbón neamhchruthach éagsúil, agus ag an am céanna iniúchadh níos doimhne a dhéanamh ar theirmidinimic agus dinimic chomhshó graifíte.
Tá tábhacht fhairsing ag baint leo seo maidir le forbairt thionscal na graifíte amach anseo.
Am an phoist: 10 Bealtaine 2021