Mizara ho grafita artifisialy sy grafita voajanahary ny grafita, ary ny tahirin-tsolika grafita voajanahary voaporofo eran-tany dia eo amin'ny 2 lavitrisa taonina eo ho eo.
Azo avy amin'ny fahalovana sy ny fitsaboana amin'ny hafanana ireo akora misy karbônina amin'ny tsindry mahazatra ny grafita artifisialy. Mitaky mari-pana sy angovo avo lenta ho hery manosika ity fiovana ity, ary ny rafitra tsy milamina dia hovaina ho rafitra kristaly grafita milamina.
Ny grafitazy amin'ny ankapobeny dia ny fanodinana ireo atôma karbônina amin'ny alalan'ny fitsaboana hafanana ambony mihoatra ny 2000 ℃, na izany aza, ny sasany amin'ireo fitaovana karbônina amin'ny grafitazy amin'ny mari-pana ambony mihoatra ny 3000 ℃, ity karazana fitaovana karbônina ity dia fantatra amin'ny anarana hoe "arina mafy", ho an'ny fitaovana karbônina mora grafitazy, ny fomba grafitazy nentim-paharazana dia ahitana ny fomba grafitazy amin'ny mari-pana ambony sy ny tsindry ambony, ny grafitazy katalitika, ny fomba fametrahana etona simika, sns.
Fomba mahomby amin'ny fampiasana akora misy karbônina amin'ny fomba mahomby ny fanaovana grafit. Rehefa avy nanao fikarohana lalina sy lalina nataon'ireo manam-pahaizana dia efa matotra izy io ankehitriny. Na izany aza, misy antony sasany tsy mety mahatonga ny fampiharana ny fanaovana grafit nentim-paharazana amin'ny indostria, ka tsy azo ihodivirana ny mikaroka fomba vaovao hanaovana grafit.
Ny fomba elektrolisisan'ny sira rendrika dia efa mihoatra ny zato taona nivoatra nanomboka tamin'ny taonjato faha-19, ny teoria fototra sy ny fomba vaovao dia fanavaozana sy fivoarana tsy tapaka, ankehitriny dia tsy voafetra amin'ny indostrian'ny metallurgique nentim-paharazana intsony. Tamin'ny fiandohan'ny taonjato faha-21, ny metaly ao amin'ny rafitra sira rendrika dia ny fanomanana ny fampihenana ny oksida mafy amin'ny alàlan'ny electrolysis amin'ny metaly singa dia lasa ifantohan'ny hetsika mavitrika kokoa.
Vao haingana, nahasarika ny sain'ny maro ny fomba vaovao fanomanana akora grafita amin'ny alàlan'ny elektrolisisa sira mitsonika.
Amin'ny alalan'ny polarisation katôdika sy ny electrodeposition, ireo endrika roa samihafa amin'ny akora karbônina dia ovaina ho akora nano-grafita izay manana tombony fanampiny. Raha ampitahaina amin'ny teknolojia graphitization nentim-paharazana, ity fomba graphitization vaovao ity dia manana tombony amin'ny mari-pana graphitization ambany kokoa sy ny endrika azo fehezina.
Ity lahatsoratra ity dia mandinika ny fandrosoan'ny fanodinana grafita amin'ny alàlan'ny fomba elektrosimika, mampiditra ity teknolojia vaovao ity, mamakafaka ny tombony sy ny fatiantokany, ary ny vinavina momba ny fironana amin'ny fivoarany amin'ny ho avy.
Voalohany, fomba polarisation cathode electrolytic sira mitsonika
1.1 ny akora fototra
Amin'izao fotoana izao, ny akora fototra amin'ny grafita artifisialy dia ny coke needle sy ny coke pitch izay manana ambaratonga graphitization avo lenta, izany hoe ny sisa tavela amin'ny menaka sy ny godorao arintany ho akora fototra mba hamokarana akora karbônina avo lenta, miaraka amin'ny porosity ambany, solifara ambany, lavenona ambany ary tombony azo avy amin'ny graphitization, rehefa avy nomanina ho grafita dia manana fanoherana tsara amin'ny fiantraikany, tanjaka mekanika avo lenta, resistivity ambany.
Na izany aza, ny tahirin-tsolika voafetra sy ny fiovaovan'ny vidin-tsolika dia nanakana ny fivoarany, ka ny fitadiavana akora manta vaovao dia lasa olana maika mila vahana.
Misy fetrany ny fomba fanaovana grafiti nentim-paharazana, ary samy hafa ny akora ampiasaina amin'ny fomba fanaovana grafiti. Ho an'ny karbônina tsy misy grafiti, zara raha mahavita manao grafiti azy ny fomba nentim-paharazana, raha toa kosa ka mandingana ny fetran'ny akora ampiasaina amin'ny alalan'ny raikipohy elektrosimika amin'ny elektrolisisin'ny sira mitsonika, ary mety amin'ny ankamaroan'ny akora karbônina nentim-paharazana.
Ny akora karbônina nentim-paharazana dia ahitana karbônina mainty, karbônina mavitrika, arintany, sns., izay anisan'ny mampanantena indrindra ny arintany. Ny ranomainty vita amin'ny arintany dia mampiasa ny arintany ho toy ny fototra ary amboarina ho vokatra grafita amin'ny mari-pana avo aorian'ny fitsaboana mialoha.
Vao haingana, ity lahatsoratra ity dia manolotra fomba elektrosimika vaovao, toy ny Peng, amin'ny alàlan'ny elektrolisisa sira mitsonika dia tsy azo inoana fa hanova ny karbônina mainty ho lasa kristaly avo lenta amin'ny grafita, ny elektrolisisa ny santionan'ny grafita misy poti-grata nanometer endrika felam-boninkazo, dia manana velaran-tany manokana avo lenta, rehefa ampiasaina amin'ny bateria lithium cathode dia naneho fahombiazana elektrosimika tsara kokoa noho ny grafita voajanahary.
Napetrak'i Zhu et al. tao anaty rafitra sira mitsonika CaCl2 ny arintany ambany kalitao notsaboina mba hanaovana elektrolisisa amin'ny 950 ℃, ary nahombiazana tamin'ny fanovana ny arintany ambany kalitao ho grafita misy kristaly avo lenta, izay naneho fahombiazana tsara sy faharetan'ny tsingerina rehefa ampiasaina ho anode amin'ny bateria lithium ion.
Asehon'ny andrana fa azo atao ny manova karazana akora karbônina nentim-paharazana ho grafita amin'ny alàlan'ny elektrolisisa sira mitsonika, izay manokatra fomba vaovao ho an'ny grafita sentetika amin'ny ho avy.
1.2 ny mekanisma
Ny fomba elektrolisisan'ny sira natsonika dia mampiasa ny akora karbônina ho katôda ary mamadika azy ho grafita misy kristaly avo lenta amin'ny alàlan'ny polarisation katôdika. Amin'izao fotoana izao, ny literatiora efa misy dia miresaka momba ny fanesorana ny oksizenina sy ny fandaminana indray ny atôma karbônina amin'ny halavirana lavitra amin'ny fizotran'ny fiovan'ny polarisation katôdika.
Ny fisian'ny oksizenina ao anatin'ny akora karbônina dia hanakana ny fananganana grafita amin'ny lafiny sasany. Amin'ny dingana fananganana grafita nentim-paharazana, ny oksizenina dia esorina miadana rehefa mihoatra ny 1600K ny mari-pana. Na izany aza, tena mora ny manala oksida amin'ny alàlan'ny polarisation katôdika.
Nandritra ny andrana voalohany, Peng, sns., dia nanolotra ny mekanisma polarization cathodic electrolysis sira mitsonika, izany hoe ny graphitization. Ny toerana voalohany hanombohana dia ny fametrahana ny microspheres karbônina mafy orina/interface electrolyte, ny microsphere karbônina voalohany dia mamorona manodidina ny akorandriaka grafita mitovy savaivony, ary avy eo dia tsy marin-toerana ny atôma karbônina tsy misy rano miparitaka mankany amin'ny poti-grafita ivelany marin-toerana kokoa, mandra-pahatongan'ny grafita tanteraka.
Miaraka amin'ny fanesorana oksizenina ny dingan'ny fanaovana grafit, izay nohamafisin'ny fanandramana ihany koa.
Noporofoin'i Jin et al. tamin'ny alalan'ny andrana ihany koa io fomba fijery io. Taorian'ny fanaovana karbônina ny gliokaozy, dia natao ny fanaovana grafit (17% ny votoatin'ny oksizenina). Taorian'ny fanaovana grafit, ireo bola karbônina mivaingana tany am-boalohany (Sary 1a sy 1c) dia namorona akorandriaka misy lavaka misy sosona grafit (Sary 1b sy 1d).
Amin'ny alalan'ny elektrolisisin'ny fibre karbônina (16% oksizenina), dia azo ovaina ho fantsona grafita ny fibre karbônina aorian'ny fanaovana grafita araka ny fomba fiovam-po voalaza ao amin'ny literatiora.
Inoana fa ny fihetsehana lavitra dia eo ambanin'ny polarisation katôdika amin'ny atôma karbônina, izay tsy maintsy amboarina amin'ny grafita kristaly avo lenta mba handaminana indray ny karbônina amorphous. Ny grafita sentetika dia manana endrika nanostructures miavaka izay mandray soa avy amin'ny atôma oksizenina, saingy tsy mazava ny fomba manokana misy fiantraikany amin'ny rafitra nanometer grafita, toy ny oksizenina avy amin'ny taolana karbônina aorian'ny fihetsiky ny katôda, sns.
Amin'izao fotoana izao, mbola eo amin'ny dingana voalohany ny fikarohana momba ny mekanisma, ary ilaina ny fikarohana bebe kokoa.
1.3 Famaritana ara-morfolojika ny grafita sentetika
Ny SEM dia ampiasaina handinihana ny endriky ny velaran'ny grafita amin'ny alalan'ny mikroskopika, ny TEM kosa dia ampiasaina handinihana ny endriky ny firafitry ny grafita latsaky ny 0.2 μm, ny XRD sy ny spectroscopy Raman no fomba ampiasaina matetika indrindra hamantarana ny firafitry ny grafita, ny XRD dia ampiasaina hamantarana ny mombamomba ny kristaly ao amin'ny grafita, ary ny spectroscopy Raman dia ampiasaina hamantarana ny lesoka sy ny ambaratongan'ny filaharan'ny grafita.
Misy mason-koditra maro ao amin'ny grafita izay nomanina tamin'ny alalan'ny polarization katôda amin'ny elektrolisisa sira mitsonika. Ho an'ny akora manta samihafa, toy ny elektrolisisa karbônina mainty, dia azo ny nanostructures porous toy ny felam-boninkazo. Ny fanadihadiana XRD sy ny spectrum Raman dia atao amin'ny karbônina mainty aorian'ny elektrolisisa.
Amin'ny 827 ℃, rehefa avy notsaboina tamin'ny voltazy 2.6V nandritra ny 1 ora, dia saika mitovy amin'ny an'ny grafita ara-barotra ny sary Raman spectral an'ny karbônina mainty. Rehefa avy notsaboina tamin'ny mari-pana samihafa ny karbônina mainty, dia refesina ny tendrony maranitra mampiavaka ny grafita (002). Ny tendrony diffraction (002) dia maneho ny haavon'ny fironan'ny sosona karbônina aromatika ao amin'ny grafita.
Arakaraka ny maha-maranitra ny sosona karbônina no maha-milamina kokoa ny endriny.
Nampiasa ny arintany ambany voadio ho katôda i Zhu nandritra ny andrana, ary niova avy amin'ny granular ho grafita lehibe ny rafitry ny vokatra vita amin'ny grafita, ary nojerena ihany koa teo ambanin'ny mikroskopia elektrôna fandefasana haingana ny sosona grafita tery.
Tao amin'ny spektra Raman, niaraka tamin'ny fiovan'ny fepetra fanandramana, niova ihany koa ny sandan'ny ID/Ig. Rehefa 950 ℃ ny mari-pana elektrolitika, dia 6 ora ny fotoana elektrolitika, ary 2.6V ny voltase elektrolitika, 0.3 ny sandan'ny ID/Ig ambany indrindra, ary ambany lavitra noho ny tampon'ny G ny tampon'ny D. Mandritra izany fotoana izany, ny fisehoan'ny tampon'ny 2D dia maneho ihany koa ny fiforonan'ny rafitra grafita milamina tsara.
Ny tendrony difraksiona maranitra (002) ao amin'ny sary XRD dia manamafy ihany koa ny fahombiazan'ny fiovam-po amin'ny arintany ambany kalitao ho grafita manana kristaly avo lenta.
Ao amin'ny dingan'ny grafita, ny fiakaran'ny mari-pana sy ny voltazy dia handray anjara amin'ny fampiroboroboana, saingy ny voltazy avo loatra dia hampihena ny vokatra grafita, ary ny mari-pana avo loatra na ny fotoana grafitazy lava loatra dia hitarika ho amin'ny fandaniam-bola, noho izany ho an'ny fitaovana karbônina samihafa, dia zava-dehibe indrindra ny mikaroka ny fepetra elektrolitika mety indrindra, izay ifantohana sy sarotra ihany koa.
Ity rafitra nano mitovy amin'ny felam-boninkazo ity dia manana toetra elektrokimia tena tsara. Ny fisian'ny mason-koditra maro dia ahafahana mampiditra/mamoaka haingana ny iôna, ka manome fitaovana katôda avo lenta ho an'ny bateria, sns. Noho izany, ny fomba elektrokimia amin'ny grafitization dia fomba tena mety amin'ny grafitization.
Fomba fametrahana elektroda amin'ny sira rendrika
2.1 Fametrahana elektroda ny gazy karbonika
Amin'ny maha-gazy mampirehitra hafanana manan-danja indrindra azy, ny CO2 dia loharano azo havaozina tsy misy poizina, tsy mampidi-doza, mora vidy ary mora azo. Na izany aza, ny karbônina ao amin'ny CO2 dia ao amin'ny toetry ny oksidasiona avo indrindra, ka ny CO2 dia manana fahamarinan-toerana ara-thermodinamika avo lenta, izay mahatonga azy ho sarotra ampiasaina indray.
Ny fikarohana voalohany momba ny fametrahana elektrôda CO2 dia azo jerena hatrany amin'ny taona 1960. Ingram et al. dia nahomby tamin'ny fanomanana karbônina teo amin'ny elektrôda volamena tao amin'ny rafitra sira mitsonika an'ny Li2CO3-Na2CO3-K2CO3.
Nanamarika i Van et al. fa ireo vovoka karbônina azo tamin'ny hery fampihenana samihafa dia nanana rafitra samihafa, anisan'izany ny grafita, ny karbônina amorfa ary ny nanofibers karbônina.
Amin'ny alalan'ny sira mitsonika mba hisambotra CO2 sy ny fomba fanomanana ny akora karbônina, rehefa avy nanao fikarohana nandritra ny fotoana ela ireo manam-pahaizana dia nifantoka tamin'ny mekanisma fananganana karbônina sy ny fiantraikan'ny fepetra elektrolisisa amin'ny vokatra farany, izay ahitana ny mari-pana elektrolitika, ny voltase elektrolitika ary ny firafitry ny sira mitsonika sy ny elektrôda, sns., ny fanomanana ny akora grafita avo lenta ho an'ny fametrahana elektrôda amin'ny CO2 dia nametraka fototra mafy orina.
Tamin'ny fanovana ny elektrolita sy ny fampiasana rafitra sira mitsonika miorina amin'ny CaCl2 izay manana fahombiazana ambony kokoa amin'ny fisamborana CO2, Hu et al. dia nahomby tamin'ny fanomanana graphene manana ambaratonga graphitization ambony kokoa sy nanotubes karbônina ary rafitra nanographite hafa tamin'ny alàlan'ny fandalinana ny fepetra elektrolitika toy ny mari-pana elektrolisisa, ny firafitry ny elektroda ary ny firafitry ny sira mitsonika.
Raha ampitahaina amin'ny rafitra karbônaty, ny CaCl2 dia manana tombony amin'ny vidiny mirary sy mora azo, ny conductivity avo lenta, ny mora levona anaty rano, ary ny fahafahan'ny ion oksizenina levona ambony kokoa, izay manome fepetra ara-teorika ho an'ny fiovan'ny CO2 ho vokatra grafita misy sanda fanampiny avo lenta.
2.2 Rafitra Fiovana
Ny fanomanana ireo akora karbônina sarobidy amin'ny alalan'ny fametrahana elektrôda ny CO2 avy amin'ny sira mitsonika dia ahitana indrindra ny fisamborana CO2 sy ny fampihenana ankolaka. Ny fisamborana CO2 dia vita amin'ny alalan'ny O2- afaka ao anaty sira mitsonika, araka ny aseho amin'ny Equation (1):
CO2+O2-→CO3 2- (1)
Amin'izao fotoana izao, misy fomba telo ahafahana mampihena ny metaly: ny dingana iray, ny dingana roa ary ny dingana fampihenana metaly.
Ny mekanisma fihetsika dingana iray dia naroson'i Ingram voalohany, araka ny asehon'ny Equation (2):
CO3 2-+ 4E – →C+3O2- (2)
Ny mekanisma fihetsika roa dingana dia naroson'i Borucka et al., araka ny asehon'ny Equation (3-4):
CO3 2-+ 2E – →CO2 2-+O2- (3)
CO2 2-+ 2E – →C+2O2- (4)
Ny fomba fiasan'ny fihetsiky ny fampihenana metaly dia naroson'i Deanhardt et al. Nino izy ireo fa ny ion metaly dia ahena ho metaly aloha ao amin'ny katôda, ary avy eo dia ahena ho ion karbonaty ny metaly, araka ny aseho amin'ny Equation (5~6):
M- + E – →M (5)
4 m + M2CO3 – > C + 3 m2o (6)
Amin'izao fotoana izao, ny mekanisma fihetsehana dingana iray dia eken'ny ankamaroan'ny literatiora efa misy.
Yin et al. dia nandalina ny rafitra karbônaty Li-Na-K miaraka amin'ny nikela ho katôda, dioksidan'ny firapotsy ho anoda ary tariby volafotsy ho elektroda fanondroana, ary nahazo ny tarehimarika fitsapana voltammetry cyclic ao amin'ny Sary 2 (tahan'ny scanning 100 mV/s) amin'ny katôda nikela, ary nahita fa iray ihany ny tampon'ny fampihenana (amin'ny -2.0V) amin'ny scanning négatif.
Noho izany, azo tsoahina fa fihetsika iray ihany no nitranga nandritra ny fampihenana ny karbonaty.
Gao et al. nahazo ny voltammetry cyclic mitovy amin'izany tao anatin'ny rafitra karbonaty mitovy.
Nampiasa anode tsy mihetsika sy katode tungstène i Ge et al. mba hisamborana CO2 tao amin'ny rafitra LiCl-Li2CO3 ary nahazo sary mitovy amin'izany, ary ny tampon'isa fampihenana ny fametrahana karbônina ihany no niseho tao amin'ny scan négatif.
Ao amin'ny rafitra sira mitsonika metaly alkaline, dia hipoitra ny metaly alkali sy ny CO raha toa ka apetraka amin'ny katôda ny karbônina. Na izany aza, satria ambany kokoa ny fepetra termodinamika amin'ny fihetsiky ny fametrahana karbônina amin'ny mari-pana ambany kokoa, dia ny fihenan'ny karbônina ho karbônina ihany no azo tsikaritra amin'ny andrana.
2.3 Fisamborana CO2 amin'ny alalan'ny sira mitsonika mba hanomanana vokatra grafita
Azo omanina amin'ny alalan'ny fametrahana elektrôda ny CO2 avy amin'ny sira mitsonika amin'ny alalan'ny fanaraha-maso ny fepetra andrana ireo akora nano grafita manana tombam-bidy ambony toy ny graphene sy ny nanotubes karbônina. Nampiasa vy tsy misy harafesina ho katôda tao amin'ny rafitra sira mitsonika CaCl2-NaCl-CaO i Hu et al. ary noelektrôlisa nandritra ny 4 ora teo ambanin'ny fepetran'ny voltase tsy miova 2.6V amin'ny mari-pana samihafa.
Noho ny katalisisan'ny vy sy ny fiantraikan'ny CO mipoaka eo anelanelan'ny sosona grafita, dia hita teo amin'ny velaran'ny katôda ny grafena. Aseho amin'ny Sary 3 ny dingana fanomanana ny grafena.
Ny sary
Fanadihadiana taty aoriana nanampy Li2SO4 mifototra amin'ny rafitra sira miempo CaCl2-NaClCaO, ny mari-pana elektrolisisa dia 625 ℃, rehefa afaka 4 ora elektrolisisa, miaraka amin'izay koa ao amin'ny fametrahana karbônina cathodic hita graphene sy nanotubes karbônina, ny fanadihadiana dia nahita fa Li+ sy SO4 2- dia mitondra fiantraikany tsara amin'ny graphitization.
Tafiditra soa aman-tsara ao amin'ny vatan'ny karbônina ihany koa ny solifara, ary azo atao ny mahazo takelaka grafita manify dia manify sy karbônina misy kofehy amin'ny alàlan'ny fanaraha-maso ny fepetra elektrolitika.
Zava-dehibe ny fitaovana toy ny mari-pana elektrolitika avo sy ambany ho an'ny fiforonan'ny graphene, rehefa mihoatra ny 800 ℃ ny mari-pana dia mora kokoa ny mamokatra CO fa tsy karbônina, saika tsy misy fametrahana karbônina rehefa mihoatra ny 950 ℃, noho izany dia tena zava-dehibe ny fanaraha-maso ny mari-pana mba hamokarana graphene sy nanotubes karbônina, ary hamerenana amin'ny laoniny ny filàna fiaraha-miasa amin'ny fihetsehan'ny fametrahana karbônina CO mba hahazoana antoka fa ny cathode dia hamokatra graphene marin-toerana.
Ireo asa ireo dia manome fomba vaovao hanomanana vokatra nano-grafita amin'ny alàlan'ny CO2, izay tena manan-danja tokoa amin'ny famahana ny entona mandatsa-dranomaso sy ny fanomanana ny graphene.
3. Famintinana sy fomba fijery
Noho ny fivoarana haingana eo amin'ny indostrian'ny angovo vaovao, dia tsy afaka mamaly ny fangatahana ankehitriny ny grafita voajanahary, ary ny grafita artifisialy dia manana toetra ara-batana sy simika tsara kokoa noho ny grafita voajanahary, noho izany dia tanjona maharitra ny fanaovana grafita mora vidy, mahomby ary sariaka amin'ny tontolo iainana.
Ny fomba elektrokimia amin'ny fanaparitahana grafita amin'ny akora manta mivaingana sy entona amin'ny alàlan'ny fomba polarisation katodika sy fametrahana elektrokimia dia nahomby tamin'ny fanesorana ireo akora grafita tamin'ny sanda fanampiny avo lenta, raha ampitahaina amin'ny fomba nentim-paharazana amin'ny fanaparitahana grafita, ny fomba elektrokimia dia mahomby kokoa, mandany angovo ambany kokoa, miaro ny tontolo iainana maitso, voafetra ho an'ny akora voafantina kely amin'ny fotoana iray ihany, araka ny fepetra elektrolisisa samihafa dia azo omanina amin'ny endrika samihafa amin'ny rafitry ny grafita.
Manome fomba mahomby ho an'ny karazana karbônina tsy misy endrika sy entona mandatsa-dranomaso rehetra mba ho lasa fitaovana grafita nano-rafitra sarobidy izy io, ary manana fahafahana tsara hampiasaina.
Amin'izao fotoana izao, mbola vao manomboka ity teknolojia ity. Vitsy ny fanadihadiana momba ny fanaovana grafita amin'ny alalan'ny fomba elektrosimika, ary mbola maro ny dingana tsy fantatra. Noho izany, ilaina ny manomboka amin'ny akora fototra ary manao fanadihadiana feno sy mirindra momba ny karbônina amorfa isan-karazany, ary miaraka amin'izay koa dia mikaroka lalindalina kokoa ny termodinamika sy ny dinamikan'ny fiovan'ny grafita.
Manana dikany lehibe ho an'ny fampandrosoana ny indostrian'ny grafita amin'ny ho avy ireo.
Fotoana fandefasana: 10 Mey 2021