הדבק אלקטרודה נתח שוק, מגמה, אסטרטגיה עסקית ותחזית לשנת 2027

הגרפיט מחולק לגרפיט מלאכותי ולגרפיט טבעי, הרזרבות המוכחות בעולם של גרפיט טבעי בכ-2 מיליארד טון.
גרפיט מלאכותי מתקבל על ידי פירוק וטיפול בחום של חומרים המכילים פחמן בלחץ רגיל.טרנספורמציה זו דורשת טמפרטורה ואנרגיה גבוהים מספיק ככוח המניע, והמבנה המעורער יהפוך למבנה גבישי גרפיט מסודר.
גרפיטיזציה היא במובן הרחב של החומר הפחמני דרך מעל 2000 ℃ טיפול בחום בטמפרטורה גבוהה סידור מחדש של אטומי פחמן, אולם חלק מחומרי פחמן בטמפרטורה גבוהה מעל 3000 ℃ גרפיטיזציה, סוג זה של חומרי פחמן היה ידוע כ"פחם קשה", עבור חומרי פחמן קלים בגרפיטציה, שיטת הגרפיטיזציה המסורתית כוללת שיטת טמפרטורה גבוהה ולחץ גבוה, גרפיטיזציה קטליטית, שיטת השקעת אדים כימית וכו '.

גרפיטיזציה היא אמצעי יעיל לניצול ערך מוסף גבוה של חומרים פחמניים.לאחר מחקר מקיף ומעמיק של חוקרים, זה בעצם בשל עכשיו.עם זאת, כמה גורמים שליליים מגבילים את היישום של גרפיטיזציה מסורתית בתעשייה, כך שזו מגמה בלתי נמנעת לחקור שיטות גרפיטיזציה חדשות.

שיטת אלקטרוליזה של מלח מותך מאז המאה ה-19 הייתה יותר ממאה שנים של התפתחות, התיאוריה הבסיסית שלה ושיטות חדשות הן כל הזמן חדשנות ופיתוח, כעת אינה מוגבלת עוד לתעשיית המתכות המסורתית, בתחילת המאה ה-21, המתכת ב מערכת המלח המותך ההכנה להפחתה אלקטרוליטית של תחמוצת מוצקה של מתכות אלמנטריות הפכה למוקד בפעילות הפעילה יותר,
לאחרונה, שיטה חדשה להכנת חומרי גרפיט על ידי אלקטרוליזה של מלח מותך משכה תשומת לב רבה.

באמצעות קיטוב קתודי והתקנת אלקטרודה, שתי הצורות השונות של חומרי גלם פחמן הופכות לחומרי ננו-גרפיט בעלי ערך מוסף גבוה.בהשוואה לטכנולוגיית הגרפיטציה המסורתית, לשיטת הגרפיטיזציה החדשה יש את היתרונות של טמפרטורת גרפיטיזציה נמוכה יותר ומורפולוגיה ניתנת לשליטה.

מאמר זה סוקר את ההתקדמות של גרפיטיזציה בשיטה אלקטרוכימית, מציג את הטכנולוגיה החדשה הזו, מנתח את היתרונות והחסרונות שלה, ומצפת את מגמת הפיתוח העתידית שלה.

ראשית, שיטת קיטוב קתודה אלקטרוליטית של מלח מותך

1.1 חומר הגלם
נכון לעכשיו, חומר הגלם העיקרי של גרפיט מלאכותי הוא קוק מחט וקולה בדרגת גרפיטיזציה גבוהה, כלומר על ידי שאריות השמן וזפת הפחם כחומר גלם לייצור חומרי פחמן באיכות גבוהה, עם נקבוביות נמוכה, גופרית נמוכה, אפר נמוך. התוכן והיתרונות של גרפיטיזציה, לאחר הכנתו לגרפיט יש עמידות טובה בפני פגיעות, חוזק מכני גבוה, התנגדות נמוכה,
עם זאת, עתודות נפט מוגבלות ושינויים במחירי הנפט הגבילו את התפתחותו, כך שחיפוש חומרי גלם חדשים הפך לבעיה דחופה שיש לפתור.
לשיטות גרפיטיזציה מסורתיות יש מגבלות, ושיטות גרפיטציה שונות משתמשות בחומרי גלם שונים.עבור פחמן ללא גרפיט, שיטות מסורתיות בקושי יכולות לבצע גרפיטציה שלו, בעוד שהנוסחה האלקטרוכימית של אלקטרוליזה של מלח מותך פורצת את המגבלה של חומרי הגלם, ומתאימה כמעט לכל חומרי הפחמן המסורתיים.

חומרי פחמן מסורתיים כוללים פחמן שחור, פחם פעיל, פחם וכו', ביניהם הפחם המבטיח ביותר.הדיו המבוסס על פחם לוקח פחם כמבשר ומוכן למוצרי גרפיט בטמפרטורה גבוהה לאחר טיפול מקדים.
לאחרונה, מאמר זה מציע שיטות אלקטרוכימיות חדשות, כגון פנג, על ידי אלקטרוליזה של מלח מותך לא סביר שיגרפיט פחמן שחור לתוך הגבישיות הגבוהה של גרפיט, האלקטרוליזה של דגימות גרפיט המכילות את שבבי גרפיט ננומטר בצורת עלי כותרת, בעלת שטח פנים ספציפי גבוה, כאשר נעשה בו שימוש עבור קתודה של סוללת ליתיום, הראה ביצועים אלקטרוכימיים מצוינים יותר מאשר גרפיט טבעי.
Zhu et al.הכניסו את הפחם המטופל באיכות נמוכה למערכת מלח מותך CaCl2 לאלקטרוליזה ב-950 ℃, והפך בהצלחה את הפחם האיכותי לגרפיט עם גבישיות גבוהה, שהראה ביצועי קצב טובים וחיי מחזור ארוכים בשימוש כאנודה של סוללת ליתיום יון. .
הניסוי מראה כי ניתן להמיר סוגים שונים של חומרי פחמן מסורתיים לגרפיט באמצעות אלקטרוליזה של מלח מותך, מה שפותח דרך חדשה לגרפיט סינטטי עתידי.
1.2 המנגנון של
שיטת אלקטרוליזה של מלח מותך משתמשת בחומר פחמן כקתודה וממירה אותו לגרפיט עם גבישיות גבוהה באמצעות קיטוב קתודי.כיום, הספרות הקיימת מזכירה את הסרת החמצן וסידור מחדש למרחקים ארוכים של אטומי פחמן בתהליך ההמרה הפוטנציאלי של קיטוב קתודי.
נוכחות חמצן בחומרי פחמן תפריע לגרפיטיזציה במידה מסוימת.בתהליך הגרפיטיזציה המסורתי, חמצן יוסר באיטיות כאשר הטמפרטורה גבוהה מ-1600K.עם זאת, זה מאוד נוח להתחמצן באמצעות קיטוב קתודי.

פנג וכו' בניסויים הציגו בפעם הראשונה את מנגנון פוטנציאל הקיטוב הקתודי של אלקטרוליזה של מלח מותך, כלומר הגרפיטיזציה שהמקום להתחיל בו היא להיות ממוקמת בממשק מיקרו-ספירות פחמן מוצק/אלקטרוליט, מיקרו-כדור פחמן ראשון נוצר סביב קוטר בסיסי של אותו קוטר. מעטפת גרפיט, ולאחר מכן אף פעם לא אטומי פחמן נטול מים יציבים התפשטו לנתח גרפיט חיצוני יציב יותר, עד לגרפיטציה מלאה,
תהליך הגרפיטיזציה מלווה בהסרת חמצן, אשר מאושרת גם על ידי ניסויים.
ג'ין וחב'.גם הוכיח את נקודת המבט הזו באמצעות ניסויים.לאחר התפחה של גלוקוז, בוצע גרפיטיזציה (תכולת חמצן של 17%).לאחר גרפיטיזציה, כדורי הפחמן המוצק המקוריים (איור 1a ו-1c) יצרו מעטפת נקבוביות המורכבת מננו-דפי גרפיט (איור 1b ו-1d).
על ידי אלקטרוליזה של סיבי פחמן (16% חמצן), ניתן להמיר את סיבי הפחמן לשפופרות גרפיט לאחר גרפיטציה לפי מנגנון ההמרה המופיע בספרות

האמינו כי התנועה למרחקים ארוכים היא תחת קיטוב קתודי של אטומי פחמן שסידור מחדש של גרפיט גבישי גבוה לפחמן אמורפי חייב לעבד, עלי כותרת ייחודיים של גרפיט סינטטי מעצבים ננו-מבנים שנהנים מאטומי חמצן מהם, אך הדרך הספציפית להשפיע על מבנה הננומטר של גרפיט אינו ברור, כגון חמצן משלד פחמן לאחר איך בתגובת הקתודה וכו',
נכון להיום, המחקר על המנגנון עדיין בשלב ראשוני, ויש צורך במחקר נוסף.

1.3 אפיון מורפולוגי של גרפיט סינטטי
SEM משמש כדי לצפות במורפולוגיה המיקרוסקופית של פני השטח של גרפיט, TEM משמש כדי לצפות במורפולוגיה המבנית של פחות מ-0.2 מיקרומטר, XRD וספקטרוסקופיה של ראמאן הם האמצעים הנפוצים ביותר לאפיון המיקרו-מבנה של גרפיט, XRD משמש לאפיון הגביש מידע של גרפיט, וספקטרוסקופיה של ראמאן משמשת לאפיון הפגמים ודרגת הסדר של הגרפיט.

ישנן נקבוביות רבות בגרפיט שהוכן על ידי קיטוב קתודה של אלקטרוליזה של מלח מותך.עבור חומרי גלם שונים, כגון אלקטרוליזה של פחמן שחור, מתקבלים ננו-מבנים נקבוביים דמויי עלי כותרת.ניתוח ספקטרום XRD ו-Raman מתבצע על הפחמן השחור לאחר אלקטרוליזה.
ב-827 ℃, לאחר טיפול במתח 2.6V למשך שעה אחת, התמונה הספקטרלית של ראמאן של פחמן שחור כמעט זהה לזו של גרפיט מסחרי.לאחר טיפול בפחמן השחור בטמפרטורות שונות, נמדד השיא המאפיין הגרפיט החד (002).שיא הדיפרקציה (002) מייצג את מידת הכיוון של שכבת הפחמן הארומטי בגרפיט.
ככל ששכבת הפחמן חדה יותר, כך היא מכוונת יותר.

Zhu השתמש בפחם התחתון המטוהר כקתודה בניסוי, והמיקרו-מבנה של המוצר שעבר גרפיט עבר טרנספורמציה ממבנה גרפיט גדול למבנה גרפיט, ושכבת הגרפיט ההדוקה נצפתה גם תחת מיקרוסקופ האלקטרונים בקצב גבוה.
בספקטרום של ראמאן, עם השינוי בתנאי הניסוי, גם ערך ה-ID/Ig השתנה.כאשר הטמפרטורה האלקטרוליטית הייתה 950 ℃, הזמן האלקטרוליטי היה 6 שעות, והמתח האלקטרוליטי היה 2.6V, ערך ה-ID/Ig הנמוך ביותר היה 0.3, ושיא ה-D היה נמוך בהרבה משיא ה-G.במקביל, המראה של שיא דו-ממדי ייצג גם היווצרות של מבנה גרפיט מסודר מאוד.
שיא הדיפרקציה החד (002) בתמונת ה-XRD מאשר גם את ההמרה המוצלחת של פחם נחות לגרפיט עם גבישיות גבוהה.

בתהליך הגרפיטיזציה, עליית הטמפרטורה והמתח תמלא תפקיד מקדם, אך מתח גבוה מדי יפחית את תפוקת הגרפיט, וטמפרטורה גבוהה מדי או זמן גרפיטיזציה ארוך מדי יובילו לבזבוז משאבים, ולכן עבור חומרי פחמן שונים , חשוב במיוחד לחקור את התנאים האלקטרוליטיים המתאימים ביותר, הוא גם המיקוד והקושי.
ננו-מבנה פתית דמוי עלה כותרת זה בעל תכונות אלקטרוכימיות מצוינות.כמות גדולה של נקבוביות מאפשרת החדרה/הטמעה של יונים במהירות, מתן חומרים קתודיים איכותיים לסוללות וכדומה. לכן, שיטת הגרפיטיזציה האלקטרוכימית היא שיטת גרפיטיזציה פוטנציאלית מאוד.

שיטת התקנת מלח מותך

2.1 שקע אלקטרוד של פחמן דו חמצני
כגז החממה החשוב ביותר, CO2 הוא גם משאב מתחדש לא רעיל, לא מזיק, זול וזמין.עם זאת, פחמן ב-CO2 נמצא במצב החמצון הגבוה ביותר, ולכן ל-CO2 יציבות תרמודינמית גבוהה, מה שמקשה על שימוש חוזר.
ניתן לאתר את המחקר המוקדם ביותר על שקיעת CO2 אלקטרודה עד שנות ה-60.אינגרם וחב'.הוכן בהצלחה פחמן על אלקטרודת זהב במערכת המלח המותך של Li2CO3-Na2CO3-K2CO3.

ואן ואחרים.ציין כי אבקות הפחמן שהתקבלו בפוטנציאל הפחתה שונים היו בעלי מבנים שונים, כולל גרפיט, פחמן אמורפי וננו-סיבי פחמן.
על ידי מלח מותך ללכידת CO2 ושיטת הכנה להצלחת חומר פחמן, לאחר תקופה ארוכה של חוקרים התמקדו במנגנון יצירת שקיעת פחמן ובהשפעת תנאי האלקטרוליזה על המוצר הסופי, הכוללים טמפרטורה אלקטרוליטית, מתח אלקטרוליטי והרכב מלח מותך ואלקטרודות, וכו ', הכנת ביצועים גבוהים של חומרי גרפיט עבור electrodeposition של CO2 הניחה בסיס מוצק.

על ידי שינוי האלקטרוליט ושימוש במערכת מלח מותך מבוסס CaCl2 עם יעילות גבוהה יותר של לכידת CO2, Hu et al.הכין בהצלחה גרפן עם דרגת גרפיטיזציה גבוהה יותר וננו-צינורות פחמן ומבני ננוגרפיט אחרים על ידי לימוד תנאים אלקטרוליטיים כגון טמפרטורת אלקטרוליזה, הרכב האלקטרודות והרכב המלח המותך.
בהשוואה למערכת קרבונט, ל-CaCl2 יתרונות של זול וקל להשגה, מוליכות גבוהה, קל להמסה במים ומסיסות גבוהה יותר של יוני חמצן, המספקים תנאים תיאורטיים להמרה של CO2 למוצרי גרפיט בעלי ערך מוסף גבוה.

2.2 מנגנון טרנספורמציה
הכנת חומרי פחמן בעלי ערך מוסף גבוה על ידי שיקוע אלקטרוסט של CO2 ממלח מותך כוללת בעיקר לכידת CO2 והפחתה עקיפה.לכידת CO2 הושלמה על ידי O2- חופשי במלח מותך, כפי שמוצג במשוואה (1):
CO2+O2-→CO3 2- (1)
כיום, הוצעו שלושה מנגנוני תגובת הפחתה עקיפים: תגובה חד-שלבית, תגובה דו-שלבית ומנגנון תגובה להפחתת מתכות.
מנגנון התגובה החד-שלבי הוצע לראשונה על ידי אינגרם, כפי שמוצג במשוואה (2):
CO3 2-+ 4E – →C+3O2- (2)
מנגנון התגובה הדו-שלבי הוצע על ידי Borucka וחב', כפי שמוצג במשוואה (3-4):
CO3 2-+ 2E – →CO2 2-+O2- (3)
CO2 2-+ 2E – →C+2O2- (4)
המנגנון של תגובת הפחתת מתכות הוצע על ידי Deanhardt et al.הם האמינו שיוני מתכת הופחתו תחילה למתכת בקתודה, ואז המתכת הופחתה ליוני קרבונט, כפי שמוצג במשוואה (5-6):
M- + E – →M (5)
4 מ' + M2CO3 – > C + 3 מ"ר (6)

כיום, מנגנון התגובה החד-שלבי מקובל באופן כללי בספרות הקיימת.
יין וחב'.חקר את מערכת הקרבונט Li-Na-K עם ניקל כקתודה, בדיל דו חמצני כאנודה וחוט כסף כאלקטרודת ייחוס, והשיג את נתון בדיקת הוולטמטריה המחזורית באיור 2 (קצב סריקה של 100 mV/s) בקתודית ניקל, ומצא שהיה רק ​​שיא הפחתה אחד (ב-2.0V) בסריקה הנגטיב.
לכן, ניתן להסיק שרק תגובה אחת התרחשה במהלך הפחתת הקרבונט.

Gao et al.השיג את אותה וולטמטריה מחזורית באותה מערכת קרבונט.
Ge et al.השתמש באנודה אינרטית ובקתודה טונגסטן כדי ללכוד CO2 במערכת LiCl-Li2CO3 והשיג תמונות דומות, ורק שיא הפחתה של שקיעת פחמן הופיע בסריקה הנגטיב.
במערכת מלח מותך של מתכת אלקלית, מתכות אלקליות ו-CO יווצרו בזמן שהפחמן מושקע על ידי הקתודה.עם זאת, מכיוון שהתנאים התרמודינמיים של תגובת שקיעת פחמן נמוכים יותר בטמפרטורה נמוכה יותר, ניתן לזהות רק הפחתת קרבונט לפחמן בניסוי.

2.3 לכידת CO2 על ידי מלח מותך להכנת מוצרי גרפיט
ניתן להכין ננו-חומרי גרפיט בעלי ערך מוסף כמו גרפן וננו-צינורות פחמן על ידי שיקוע אלקטרוסט של CO2 ממלח מותך על ידי שליטה בתנאי ניסוי.הו ואח'.השתמשו בפלדת אל חלד כקתודה במערכת המלח המותך CaCl2-NaCl-CaO ועברו אלקטרוליזה למשך 4 שעות בתנאי מתח קבוע של 2.6V בטמפרטורות שונות.
הודות לקטליזה של ברזל והשפעה הנפיצה של CO בין שכבות גרפיט, נמצא גרפן על פני הקתודה.תהליך ההכנה של גרפן מוצג באיור 3.
התמונה
מחקרים מאוחרים יותר הוסיפו Li2SO4 על בסיס מערכת מלח מותך CaCl2-NaClCaO, טמפרטורת האלקטרוליזה הייתה 625 ℃, לאחר 4 שעות של אלקטרוליזה, באותו זמן בתצהיר קתודי של פחמן נמצא גרפן וננו-צינוריות פחמן, המחקר מצא כי Li+ ו-SO4 2 - להביא השפעה חיובית על גרפיטיזציה.
גם גופרית משולבת בהצלחה בגוף הפחמן, וניתן להשיג יריעות גרפיט דקות במיוחד ופחמן חוטי על ידי שליטה בתנאים האלקטרוליטיים.

חומר כגון טמפרטורה אלקטרוליטית של גבוה ונמוך להיווצרות גרפן הוא קריטי, כאשר הטמפרטורה הגבוהה מ-800 ℃ קלה יותר ליצור CO במקום פחמן, כמעט ללא שקיעת פחמן כאשר הוא גבוה מ-950 ℃, ולכן בקרת הטמפרטורה חשובה ביותר לייצר גרפן ננו-צינורות פחמן, ולשחזר את הצורך בתגובת תצהיר פחמן סינרגיה של תגובת CO כדי להבטיח שהקתודה ליצור גרפן יציב.
עבודות אלו מספקות שיטה חדשה להכנת מוצרי ננו-גרפיט על ידי CO2, בעלת משמעות רבה לפתרון גזי חממה ולהכנת גרפן.

3. סיכום ואאוטלוק
עם ההתפתחות המהירה של תעשיית האנרגיה החדשה, הגרפיט הטבעי לא הצליח לעמוד בביקוש הנוכחי, ולגרפיט מלאכותי יש תכונות פיסיקליות וכימיות טובות יותר מגרפיט טבעי, כך שגרפיטיזציה זולה, יעילה וידידותית לסביבה היא מטרה ארוכת טווח.
שיטות אלקטרוכימיות גרפיטציה בחומרי גלם מוצקים וגזיים בשיטת קיטוב קתודי ותצהיר אלקטרוכימי יצאה בהצלחה מחומרי הגרפיט בעלי ערך מוסף גבוה, בהשוואה לדרך הגרפיטציה המסורתית, השיטה האלקטרוכימית היא בעלת יעילות גבוהה יותר, צריכת אנרגיה נמוכה יותר. הגנה על סביבה ירוקה, לקטנים מוגבלים על ידי חומרים סלקטיביים בו זמנית, בהתאם לתנאי האלקטרוליזה השונים ניתן להכין במורפולוגיה שונה של מבנה גרפיט,
הוא מספק דרך יעילה להמרה של כל מיני פחמן אמורפי וגזי חממה לחומרי גרפיט בעלי ערך ננו, ויש לו סיכוי טוב ליישום.
נכון לעכשיו, טכנולוגיה זו נמצאת בחיתוליה.ישנם מעט מחקרים על גרפיטיזציה בשיטה אלקטרוכימית, ועדיין ישנם תהליכים רבים שאינם ידועים.לכן, יש צורך להתחיל מחומרי גלם ולערוך מחקר מקיף ושיטתי על פחמנים אמורפיים שונים, ובמקביל לחקור את התרמודינמיקה והדינמיקה של המרת גרפיט ברמה עמוקה יותר.
לאלה יש משמעות מרחיקת לכת להתפתחות העתידית של תעשיית הגרפיט.