กราไฟต์แบ่งออกเป็นกราไฟต์สังเคราะห์และกราไฟต์ธรรมชาติ โดยปริมาณสำรองกราไฟต์ธรรมชาติที่ได้รับการยืนยันทั่วโลกอยู่ที่ประมาณ 2 พันล้านตัน
กราไฟต์สังเคราะห์ได้มาจากการสลายตัวและการให้ความร้อนแก่วัสดุที่มีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบภายใต้ความดันปกติ การเปลี่ยนแปลงนี้ต้องการอุณหภูมิและพลังงานสูงเพียงพอเป็นแรงขับเคลื่อน และโครงสร้างที่ไม่เป็นระเบียบจะเปลี่ยนไปเป็นโครงสร้างผลึกกราไฟต์ที่เป็นระเบียบ
ในความหมายกว้างที่สุด การกราไฟต์คือกระบวนการที่ทำให้คาร์บอนจัดเรียงตัวใหม่บนวัสดุที่มีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบ โดยการให้ความร้อนที่อุณหภูมิสูงกว่า 2000 ℃ อย่างไรก็ตาม วัสดุคาร์บอนบางชนิดสามารถกราไฟต์ได้ที่อุณหภูมิสูงกว่า 3000 ℃ ซึ่งวัสดุคาร์บอนชนิดนี้เรียกว่า "ถ่านแข็ง" สำหรับวัสดุคาร์บอนที่กราไฟต์ได้ง่าย วิธีการกราไฟต์แบบดั้งเดิม ได้แก่ วิธีการให้ความร้อนสูงและความดันสูง การกราไฟต์แบบเร่งปฏิกิริยา และวิธีการตกตะกอนไอสารเคมี เป็นต้น
กระบวนการกราไฟต์เป็นวิธีการที่มีประสิทธิภาพในการเพิ่มมูลค่าให้กับวัสดุคาร์บอน หลังจากที่นักวิชาการได้ทำการวิจัยอย่างกว้างขวางและลึกซึ้ง กระบวนการนี้ก็มีความสมบูรณ์แล้ว อย่างไรก็ตาม ปัจจัยที่ไม่เอื้ออำนวยบางประการยังคงจำกัดการประยุกต์ใช้กระบวนการกราไฟต์แบบดั้งเดิมในอุตสาหกรรม ดังนั้นการค้นหาวิธีการกราไฟต์ใหม่ๆ จึงเป็นแนวโน้มที่หลีกเลี่ยงไม่ได้
วิธีการแยกโลหะด้วยไฟฟ้าโดยใช้เกลือหลอมเหลวได้รับการพัฒนามานานกว่าศตวรรษนับตั้งแต่ศตวรรษที่ 19 ทฤษฎีพื้นฐานและวิธีการใหม่ๆ ได้รับการคิดค้นและพัฒนาอย่างต่อเนื่อง ปัจจุบันไม่ได้จำกัดอยู่เฉพาะอุตสาหกรรมโลหะวิทยาแบบดั้งเดิมอีกต่อไป ในช่วงต้นศตวรรษที่ 21 การเตรียมโลหะธาตุโดยการลดออกไซด์แข็งในระบบเกลือหลอมเหลวด้วยไฟฟ้าได้กลายเป็นจุดสนใจที่คึกคักมากขึ้น
เมื่อไม่นานมานี้ วิธีการใหม่ในการเตรียมวัสดุกราไฟต์โดยใช้กระบวนการอิเล็กโทรไลซิสด้วยเกลือหลอมเหลวได้รับความสนใจอย่างมาก
ด้วยวิธีการโพลาไรเซชันแบบแคโทดิกและการตกตะกอนด้วยไฟฟ้า วัตถุดิบคาร์บอนสองรูปแบบที่แตกต่างกันจะถูกเปลี่ยนเป็นวัสดุนาโนกราไฟต์ที่มีมูลค่าเพิ่มสูง เมื่อเปรียบเทียบกับเทคโนโลยีการกราไฟต์แบบดั้งเดิม วิธีการกราไฟต์แบบใหม่นี้มีข้อดีคืออุณหภูมิการกราไฟต์ที่ต่ำกว่าและรูปร่างที่ควบคุมได้
บทความนี้ทบทวนความก้าวหน้าของการสร้างกราไฟต์ด้วยวิธีทางไฟฟ้าเคมี แนะนำเทคโนโลยีใหม่นี้ วิเคราะห์ข้อดีและข้อเสีย และคาดการณ์แนวโน้มการพัฒนาในอนาคต
ประการแรก วิธีการโพลาไรซ์แคโทดด้วยอิเล็กโทรไลซิสเกลือหลอมเหลว
1.1 วัตถุดิบ
ในปัจจุบัน วัตถุดิบหลักของกราไฟต์สังเคราะห์คือถ่านโค้กชนิดเข็มและถ่านโค้กชนิดน้ำมันดินที่มีระดับการกราไฟต์สูง กล่าวคือ ใช้กากน้ำมันและน้ำมันดินเป็นวัตถุดิบในการผลิตวัสดุคาร์บอนคุณภาพสูง มีรูพรุนต่ำ กำมะถันต่ำ ปริมาณเถ้าต่ำ และมีข้อดีของการกราไฟต์ เมื่อแปรรูปเป็นกราไฟต์แล้วจะมีคุณสมบัติทนต่อแรงกระแทกได้ดี มีความแข็งแรงเชิงกลสูง และมีความต้านทานไฟฟ้าต่ำ
อย่างไรก็ตาม ปริมาณสำรองน้ำมันที่มีจำกัดและราคาน้ำมันที่ผันผวนได้จำกัดการพัฒนา ดังนั้นการแสวงหาวัตถุดิบใหม่จึงกลายเป็นปัญหาเร่งด่วนที่ต้องแก้ไข
วิธีการกราไฟต์แบบดั้งเดิมมีข้อจำกัด และแต่ละวิธีก็ใช้วัตถุดิบที่แตกต่างกัน สำหรับคาร์บอนที่ยังไม่ผ่านกระบวนการกราไฟต์ วิธีการแบบดั้งเดิมแทบจะไม่สามารถทำให้เกิดกราไฟต์ได้ ในขณะที่สูตรทางเคมีไฟฟ้าของการอิเล็กโทรไลซิสด้วยเกลือหลอมเหลวสามารถเอาชนะข้อจำกัดของวัตถุดิบได้ และเหมาะสำหรับวัสดุคาร์บอนแบบดั้งเดิมเกือบทั้งหมด
วัสดุคาร์บอนแบบดั้งเดิม ได้แก่ คาร์บอนแบล็ก ถ่านกัมมันต์ ถ่านหิน ฯลฯ ซึ่งในจำนวนนี้ถ่านหินเป็นวัสดุที่มีศักยภาพมากที่สุด หมึกพิมพ์ที่ทำจากถ่านหินใช้ถ่านหินเป็นสารตั้งต้นและนำมาแปรรูปเป็นผลิตภัณฑ์กราไฟต์ที่อุณหภูมิสูงหลังจากผ่านกระบวนการปรับสภาพเบื้องต้น
เมื่อเร็วๆ นี้ บทความนี้ได้เสนอวิธีการทางเคมีไฟฟ้าแบบใหม่ เช่น วิธีการของ Peng ซึ่งใช้การอิเล็กโทรไลซิสด้วยเกลือหลอมเหลวเพื่อเปลี่ยนคาร์บอนแบล็กให้เป็นกราไฟต์ที่มีผลึกสูง โดยการอิเล็กโทรไลซิสของตัวอย่างกราไฟต์ที่มีชิ้นส่วนนาโนเมตรกราไฟต์รูปกลีบดอกไม้จะมีพื้นที่ผิวจำเพาะสูง และเมื่อนำไปใช้เป็นแคโทดของแบตเตอรี่ลิเธียมจะแสดงประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยมกว่ากราไฟต์ธรรมชาติ
Zhu และคณะ ได้นำถ่านหินคุณภาพต่ำที่ผ่านการกำจัดเถ้าแล้วไปใส่ในระบบเกลือหลอมเหลว CaCl2 เพื่อทำการอิเล็กโทรไลซิสที่อุณหภูมิ 950 ℃ และประสบความสำเร็จในการเปลี่ยนถ่านหินคุณภาพต่ำให้เป็นกราไฟต์ที่มีผลึกสูง ซึ่งแสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพที่ดีในอัตราการทำงานที่สูงและอายุการใช้งานที่ยาวนานเมื่อใช้เป็นขั้วบวกของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน
การทดลองแสดงให้เห็นว่าสามารถเปลี่ยนวัสดุคาร์บอนแบบดั้งเดิมประเภทต่างๆ ให้เป็นกราไฟต์ได้โดยใช้กระบวนการอิเล็กโทรไลซิสด้วยเกลือหลอมเหลว ซึ่งเป็นการเปิดทางใหม่สำหรับการผลิตกราไฟต์สังเคราะห์ในอนาคต
1.2 กลไกของ
วิธีการแยกด้วยไฟฟ้าโดยใช้เกลือหลอมเหลวใช้คาร์บอนเป็นแคโทดและเปลี่ยนให้เป็นกราไฟต์ที่มีผลึกสูงโดยอาศัยการโพลาไรซ์แคโทด ปัจจุบัน เอกสารทางวิชาการที่มีอยู่กล่าวถึงการกำจัดออกซิเจนและการจัดเรียงอะตอมคาร์บอนในระยะไกลในกระบวนการเปลี่ยนศักยภาพโดยการโพลาไรซ์แคโทด
การมีอยู่ของออกซิเจนในวัสดุคาร์บอนจะขัดขวางกระบวนการกราไฟต์ในระดับหนึ่ง ในกระบวนการกราไฟต์แบบดั้งเดิม ออกซิเจนจะถูกกำจัดออกไปอย่างช้าๆ เมื่ออุณหภูมิสูงกว่า 1600K อย่างไรก็ตาม การกำจัดออกซิเจนโดยใช้การโพลาไรซ์แบบแคโทดนั้นสะดวกกว่ามาก
ในการทดลองของ Peng และคณะ เป็นครั้งแรกที่ได้นำเสนอกลไกศักยภาพการโพลาไรซ์แคโทดของการอิเล็กโทรไลซิสเกลือหลอมเหลว กล่าวคือ จุดเริ่มต้นของการเกิดกราไฟต์ส่วนใหญ่จะอยู่ที่ส่วนต่อประสานระหว่างไมโครสเฟียร์คาร์บอนแข็งกับอิเล็กโทรไลต์ โดยไมโครสเฟียร์คาร์บอนจะก่อตัวขึ้นรอบเปลือกกราไฟต์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเท่ากันก่อน จากนั้นอะตอมคาร์บอนที่ปราศจากน้ำซึ่งไม่เสถียรจะแพร่กระจายไปยังเกล็ดกราไฟต์ด้านนอกที่เสถียรมากขึ้น จนกระทั่งเกิดกราไฟต์อย่างสมบูรณ์
กระบวนการกราไฟต์เกิดขึ้นพร้อมกับการกำจัดออกซิเจน ซึ่งได้รับการยืนยันจากการทดลองแล้วเช่นกัน
Jin และคณะได้พิสูจน์มุมมองนี้ผ่านการทดลองเช่นกัน หลังจากคาร์บอนไนเซชันของกลูโคสแล้ว ก็ได้ดำเนินการกราไฟต์ (ปริมาณออกซิเจน 17%) หลังจากกราไฟต์แล้ว ทรงกลมคาร์บอนแข็งเดิม (รูปที่ 1a และ 1c) ได้ก่อตัวเป็นเปลือกที่มีรูพรุนซึ่งประกอบด้วยนาโนชีทกราไฟต์ (รูปที่ 1b และ 1d)
โดยการใช้กระบวนการอิเล็กโทรไลซิสของเส้นใยคาร์บอน (ออกซิเจน 16%) เส้นใยคาร์บอนสามารถเปลี่ยนเป็นท่อกราไฟต์ได้หลังจากกระบวนการกราไฟต์เซชัน ตามกลไกการแปลงที่คาดการณ์ไว้ในเอกสารทางวิชาการ
เชื่อกันว่า การเคลื่อนที่ระยะไกลภายใต้การโพลาไรซ์แบบแคโทดของอะตอมคาร์บอน จะต้องเกิดการจัดเรียงตัวใหม่ของกราไฟต์ผลึกสูงไปเป็นคาร์บอนอสัณฐาน ซึ่งกราไฟต์สังเคราะห์จะมีโครงสร้างนาโนรูปทรงกลีบดอกไม้ที่เป็นเอกลักษณ์ โดยได้รับประโยชน์จากอะตอมออกซิเจน แต่ยังไม่เป็นที่แน่ชัดว่ากลไกเฉพาะใดที่ส่งผลต่อโครงสร้างนาโนของกราไฟต์ เช่น ออกซิเจนจากโครงกระดูกคาร์บอนจะทำปฏิกิริยากับแคโทดอย่างไร เป็นต้น
ในปัจจุบัน การวิจัยเกี่ยวกับกลไกยังอยู่ในช่วงเริ่มต้น และจำเป็นต้องมีการวิจัยเพิ่มเติม
1.3 การวิเคราะห์ลักษณะทางสัณฐานวิทยาของกราไฟต์สังเคราะห์
SEM ใช้ในการสังเกตสัณฐานวิทยาพื้นผิวระดับจุลภาคของกราไฟต์ TEM ใช้ในการสังเกตสัณฐานวิทยาโครงสร้างที่มีขนาดเล็กกว่า 0.2 ไมโครเมตร XRD และสเปกโทรสโกปีรามานเป็นวิธีการที่ใช้กันทั่วไปในการวิเคราะห์โครงสร้างจุลภาคของกราไฟต์ XRD ใช้ในการวิเคราะห์ข้อมูลผลึกของกราไฟต์ และสเปกโทรสโกปีรามานใช้ในการวิเคราะห์ข้อบกพร่องและระดับความเป็นระเบียบของกราไฟต์
กราไฟต์ที่เตรียมโดยการโพลาไรซ์ขั้วแคโทดด้วยไฟฟ้าจากเกลือหลอมเหลวมีรูพรุนจำนวนมาก สำหรับวัตถุดิบที่แตกต่างกัน เช่น การอิเล็กโทรไลซิสของผงคาร์บอนแบล็ก จะได้โครงสร้างนาโนที่มีรูพรุนคล้ายกลีบดอกไม้ มีการวิเคราะห์สเปกตรัม XRD และ Raman บนผงคาร์บอนแบล็กหลังการอิเล็กโทรไลซิส
ที่อุณหภูมิ 827 ℃ หลังจากได้รับการบำบัดด้วยแรงดันไฟฟ้า 2.6V เป็นเวลา 1 ชั่วโมง ภาพสเปกตรัมรามานของผงคาร์บอนแบล็กแทบจะเหมือนกับกราไฟต์เชิงพาณิชย์ หลังจากที่ผงคาร์บอนแบล็กได้รับการบำบัดด้วยอุณหภูมิที่แตกต่างกัน จะวัดพบยอดลักษณะเฉพาะของกราไฟต์ (002) ที่คมชัด ยอดการเลี้ยวเบน (002) แสดงถึงระดับการวางแนวของชั้นคาร์บอนอะโรมาติกในกราไฟต์
ยิ่งชั้นคาร์บอนมีความคมมากเท่าไร ก็ยิ่งมีการจัดเรียงตัวในแนวตรงมากขึ้นเท่านั้น
ในการทดลอง จูใช้ถ่านหินคุณภาพต่ำที่ผ่านการทำให้บริสุทธิ์เป็นขั้วแคโทด และพบว่าโครงสร้างจุลภาคของผลิตภัณฑ์กราไฟต์เปลี่ยนจากแบบเม็ดเล็กไปเป็นโครงสร้างกราไฟต์ขนาดใหญ่ นอกจากนี้ยังสามารถสังเกตเห็นชั้นกราไฟต์ที่แน่นหนาได้ภายใต้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่านความเร็วสูง
ในสเปกตรัมรามาน ค่า ID/Ig ก็เปลี่ยนแปลงไปตามการเปลี่ยนแปลงของสภาวะการทดลอง เมื่ออุณหภูมิการอิเล็กโทรไลซิสอยู่ที่ 950 ℃ เวลาการอิเล็กโทรไลซิส 6 ชั่วโมง และแรงดันไฟฟ้า 2.6 V ค่า ID/Ig ต่ำสุดคือ 0.3 และพีค D อยู่ต่ำกว่าพีค G มาก ในขณะเดียวกัน การปรากฏของพีค 2D ก็แสดงถึงการก่อตัวของโครงสร้างกราไฟต์ที่มีระเบียบสูงด้วย
ยอดการเลี้ยวเบนที่คมชัด (002) ในภาพ XRD ยังยืนยันถึงการแปลงถ่านหินคุณภาพต่ำให้เป็นกราไฟต์ที่มีผลึกสูงได้สำเร็จอีกด้วย
ในกระบวนการกราไฟต์ การเพิ่มอุณหภูมิและแรงดันไฟฟ้าจะมีบทบาทในการส่งเสริม แต่แรงดันไฟฟ้าที่สูงเกินไปจะลดปริมาณกราไฟต์ที่ได้ และอุณหภูมิที่สูงเกินไปหรือระยะเวลาการกราไฟต์ที่นานเกินไปจะทำให้สิ้นเปลืองทรัพยากร ดังนั้นสำหรับวัสดุคาร์บอนชนิดต่างๆ การค้นหาสภาวะทางไฟฟ้าที่เหมาะสมที่สุดจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง และเป็นทั้งจุดสนใจและความยากลำบาก
โครงสร้างนาโนแบบเกล็ดคล้ายกลีบดอกไม้ชนิดนี้มีคุณสมบัติทางเคมีไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยม รูพรุนจำนวนมากช่วยให้ไอออนสามารถแทรก/ดึงออกได้อย่างรวดเร็ว ทำให้ได้วัสดุแคโทดคุณภาพสูงสำหรับแบตเตอรี่ เป็นต้น ดังนั้น วิธีการกราไฟต์ด้วยไฟฟ้าเคมีจึงเป็นวิธีการกราไฟต์ที่มีศักยภาพสูงมาก
วิธีการชุบโลหะด้วยไฟฟ้าโดยใช้เกลือหลอมเหลว
2.1 การตกตะกอนด้วยไฟฟ้าของคาร์บอนไดออกไซด์
ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) เป็นก๊าซเรือนกระจกที่สำคัญที่สุด และยังเป็นทรัพยากรหมุนเวียนที่ไม่เป็นพิษ ไม่เป็นอันตราย ราคาถูก และหาได้ง่าย อย่างไรก็ตาม คาร์บอนใน CO2 อยู่ในสถานะออกซิเดชันสูงสุด ดังนั้น CO2 จึงมีเสถียรภาพทางอุณหพลศาสตร์สูง ซึ่งทำให้ยากต่อการนำกลับมาใช้ใหม่
งานวิจัยชิ้นแรกสุดเกี่ยวกับการตกตะกอนด้วยไฟฟ้าของ CO2 สามารถสืบย้อนไปได้ถึงทศวรรษ 1960 โดย Ingram และคณะ ประสบความสำเร็จในการเตรียมคาร์บอนบนอิเล็กโทรดทองคำในระบบเกลือหลอมเหลวของ Li2CO3-Na2CO3-K2CO3
Van และคณะชี้ให้เห็นว่าผงคาร์บอนที่ได้จากศักยภาพการลดที่แตกต่างกันมีโครงสร้างที่แตกต่างกัน รวมถึงกราไฟต์ คาร์บอนอสัณฐาน และเส้นใยนาโนคาร์บอน
ด้วยความสำเร็จในการใช้เกลือหลอมเหลวเพื่อดักจับ CO2 และวิธีการเตรียมวัสดุคาร์บอน หลังจากที่นักวิจัยได้มุ่งเน้นไปที่กลไกการก่อตัวของการตกตะกอนของคาร์บอนและผลกระทบของสภาวะการอิเล็กโทรไลซิสต่อผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย ซึ่งรวมถึงอุณหภูมิการอิเล็กโทรไลซิส แรงดันไฟฟ้าการอิเล็กโทรไลซิส และองค์ประกอบของเกลือหลอมเหลวและอิเล็กโทรด เป็นต้น ทำให้การเตรียมวัสดุกราไฟต์ประสิทธิภาพสูงสำหรับการตกตะกอนด้วยไฟฟ้าของ CO2 ได้วางรากฐานที่มั่นคง
ด้วยการเปลี่ยนอิเล็กโทรไลต์และใช้ระบบเกลือหลอมเหลวที่มี CaCl2 ซึ่งมีประสิทธิภาพในการดักจับ CO2 สูงกว่า Hu และคณะได้เตรียมกราฟีนที่มีระดับการกราไฟต์สูงขึ้น รวมถึงท่อนาโนคาร์บอนและโครงสร้างนาโนกราไฟต์อื่นๆ ได้สำเร็จ โดยการศึกษาเงื่อนไขทางอิเล็กโทรไลซิส เช่น อุณหภูมิการอิเล็กโทรไลซิส องค์ประกอบของอิเล็กโทรด และองค์ประกอบของเกลือหลอมเหลว
เมื่อเปรียบเทียบกับระบบคาร์บอเนต แคลเซียมคลอไรด์ (CaCl2) มีข้อดีคือราคาถูกและหาได้ง่าย มีค่าการนำไฟฟ้าสูง ละลายน้ำได้ง่าย และมีความสามารถในการละลายของไอออนออกซิเจนสูงกว่า ซึ่งเป็นเงื่อนไขทางทฤษฎีที่เหมาะสมสำหรับการเปลี่ยน CO2 ให้เป็นผลิตภัณฑ์กราไฟต์ที่มีมูลค่าเพิ่มสูง
2.2 กลไกการเปลี่ยนแปลง
การเตรียมวัสดุคาร์บอนที่มีมูลค่าเพิ่มสูงโดยการตกตะกอนด้วยไฟฟ้าของ CO2 จากเกลือหลอมเหลวส่วนใหญ่ประกอบด้วยการดักจับ CO2 และการลดทางอ้อม การดักจับ CO2 เสร็จสมบูรณ์โดย O2- อิสระในเกลือหลอมเหลว ดังแสดงในสมการ (1) :
CO2+O2-→CO3 2- (1)
ในปัจจุบัน มีการเสนอสามกลไกปฏิกิริยารีดักชันทางอ้อม ได้แก่ ปฏิกิริยาขั้นตอนเดียว ปฏิกิริยาสองขั้นตอน และกลไกปฏิกิริยารีดักชันของโลหะ
กลไกปฏิกิริยาขั้นตอนเดียวได้รับการเสนอครั้งแรกโดย Ingram ดังแสดงในสมการ (2) :
CO3 2-+ 4E – →C+3O2- (2)
กลไกปฏิกิริยาสองขั้นตอนได้รับการเสนอโดย Borucka et al. ดังแสดงในสมการ (3-4) :
CO3 2-+ 2E – →CO2 2-+O2- (3)
CO2 2-+ 2E – →C+2O2- (4)
กลไกของปฏิกิริยาลดโลหะได้รับการเสนอโดย Deanhardt และคณะ พวกเขาเชื่อว่าไอออนโลหะจะถูกลดลงเป็นโลหะในแคโทดก่อน จากนั้นโลหะจะถูกลดลงเป็นไอออนคาร์บอเนต ดังแสดงในสมการ (5~6) :
M- + E – →M (5)
4 m + M2CO3 – > C + 3 m2o (6)
ในปัจจุบัน กลไกปฏิกิริยาแบบขั้นตอนเดียวได้รับการยอมรับโดยทั่วไปในเอกสารวิจัยที่มีอยู่
Yin และคณะได้ศึกษาระบบลิเธียม-โซเดียม-โพแทสเซียมคาร์บอเนตโดยใช้นิกเกลเป็นแคโทด ทินไดออกไซด์เป็นแอโนด และลวดเงินเป็นอิเล็กโทรดอ้างอิง และได้ผลการทดสอบโวลแทมเมตรีแบบวัฏจักรดังแสดงในรูปที่ 2 (อัตราการสแกน 100 mV/s) ที่แคโทดนิกเกล และพบว่ามีเพียงยอดการลดลงเพียงยอดเดียว (ที่ -2.0V) ในการสแกนเชิงลบ
ดังนั้นจึงสรุปได้ว่ามีปฏิกิริยาเพียงหนึ่งเดียวเกิดขึ้นในระหว่างการลดคาร์บอเนต
Gao และคณะ ได้ผลลัพธ์การวิเคราะห์โวลแทมเมตรีแบบวัฏจักรเดียวกันในระบบคาร์บอเนตเดียวกัน
Ge และคณะ ใช้แอโนดเฉื่อยและแคโทดทังสเตนเพื่อดักจับ CO2 ในระบบ LiCl-Li2CO3 และได้ภาพที่คล้ายคลึงกัน โดยมีเพียงยอดการลดลงของการสะสมคาร์บอนปรากฏในการสแกนแบบลบเท่านั้น
ในระบบเกลือหลอมเหลวของโลหะอัลคาไลน์ โลหะอัลคาไลน์และ CO จะถูกสร้างขึ้น ในขณะที่คาร์บอนจะถูกสะสมโดยแคโทด อย่างไรก็ตาม เนื่องจากสภาวะทางอุณหพลศาสตร์ของปฏิกิริยาการสะสมคาร์บอนจะต่ำกว่าที่อุณหภูมิต่ำกว่า จึงสามารถตรวจพบได้เฉพาะการลดลงของคาร์บอเนตเป็นคาร์บอนในการทดลองเท่านั้น
2.3 การดักจับ CO2 โดยใช้เกลือหลอมเหลวเพื่อเตรียมผลิตภัณฑ์กราไฟต์
วัสดุนาโนกราไฟต์ที่มีมูลค่าเพิ่มสูง เช่น กราฟีนและท่อนาโนคาร์บอน สามารถเตรียมได้โดยการตกตะกอนด้วยไฟฟ้าของ CO2 จากเกลือหลอมเหลวโดยการควบคุมสภาวะการทดลอง Hu และคณะ ใช้สแตนเลสเป็นแคโทดในระบบเกลือหลอมเหลว CaCl2-NaCl-CaO และทำการอิเล็กโทรไลซิสเป็นเวลา 4 ชั่วโมงภายใต้สภาวะแรงดันคงที่ 2.6 โวลต์ที่อุณหภูมิต่างๆ
ด้วยกลไกการเร่งปฏิกิริยาของเหล็กและผลกระทบจากการระเบิดของ CO ระหว่างชั้นกราไฟต์ ทำให้พบกราฟีนบนพื้นผิวของแคโทด กระบวนการเตรียมกราฟีนแสดงในรูปที่ 3
รูปภาพ
ต่อมามีการศึกษาเพิ่มเติมโดยเติม Li2SO4 ลงในระบบเกลือหลอมเหลว CaCl2-NaClCaO โดยใช้อุณหภูมิการอิเล็กโทรไลซิสที่ 625 ℃ หลังจากอิเล็กโทรไลซิสเป็นเวลา 4 ชั่วโมง พบว่ามีการสะสมของคาร์บอนที่ขั้วแคโทดในรูปของกราฟีนและท่อนาโนคาร์บอน การศึกษาพบว่า Li+ และ SO4 2- มีผลดีต่อกระบวนการกราไฟต์
นอกจากนี้ ยังสามารถผสานกำมะถันเข้ากับเนื้อคาร์บอนได้อย่างประสบความสำเร็จ และสามารถผลิตแผ่นกราไฟต์บางเฉียบและคาร์บอนเส้นใยได้โดยการควบคุมสภาวะทางไฟฟ้า
อุณหภูมิของกระบวนการอิเล็กโทรไลซิสทั้งสูงและต่ำมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการก่อตัวของกราฟีน เมื่ออุณหภูมิสูงกว่า 800 ℃ จะเกิด CO ได้ง่ายกว่าคาร์บอน และแทบจะไม่มีการตกตะกอนของคาร์บอนเลยเมื่อสูงกว่า 950 ℃ ดังนั้นการควบคุมอุณหภูมิจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการผลิตกราฟีนและท่อนาโนคาร์บอน และการฟื้นฟูปฏิกิริยาการตกตะกอนของคาร์บอนและปฏิกิริยา CO ที่จำเป็นเพื่อให้มั่นใจว่าแคโทดจะสร้างกราฟีนได้อย่างเสถียร
งานวิจัยเหล่านี้เสนอวิธีการใหม่ในการเตรียมผลิตภัณฑ์นาโนกราไฟต์โดยใช้ CO2 ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการแก้ปัญหาก๊าซเรือนกระจกและการเตรียมกราฟีน
3. สรุปและแนวโน้มในอนาคต
ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของอุตสาหกรรมพลังงานใหม่ กราไฟต์ธรรมชาติจึงไม่สามารถตอบสนองความต้องการในปัจจุบันได้ และกราไฟต์สังเคราะห์มีคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีที่ดีกว่ากราไฟต์ธรรมชาติ ดังนั้นการผลิตกราไฟต์ที่ราคาถูก มีประสิทธิภาพ และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมจึงเป็นเป้าหมายระยะยาว
การกราไฟต์ด้วยวิธีการทางเคมีไฟฟ้าในวัตถุดิบของแข็งและก๊าซ โดยใช้วิธีการโพลาไรซ์แบบแคโทดและการตกตะกอนด้วยไฟฟ้า ประสบความสำเร็จในการผลิตวัสดุกราไฟต์ที่มีมูลค่าเพิ่มสูง เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการกราไฟต์แบบดั้งเดิม วิธีการทางเคมีไฟฟ้ามีประสิทธิภาพสูงกว่า ใช้พลังงานต่ำกว่า เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และในขณะเดียวกันก็สามารถเตรียมโครงสร้างกราไฟต์ที่มีรูปร่างแตกต่างกันได้ตามเงื่อนไขการอิเล็กโทรไลซิสที่แตกต่างกัน
วิธีการนี้เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการเปลี่ยนคาร์บอนอสัณฐานและก๊าซเรือนกระจกทุกชนิดให้กลายเป็นวัสดุกราไฟต์โครงสร้างนาโนที่มีมูลค่า และมีแนวโน้มการประยุกต์ใช้ที่ดี
ปัจจุบัน เทคโนโลยีนี้ยังอยู่ในช่วงเริ่มต้น มีการศึกษาเกี่ยวกับการกราไฟต์ด้วยวิธีทางไฟฟ้าเคมีน้อยมาก และยังมีกระบวนการอีกมากมายที่ยังไม่เป็นที่ทราบ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องเริ่มต้นจากการศึกษาวัตถุดิบและทำการศึกษาอย่างครอบคลุมและเป็นระบบเกี่ยวกับคาร์บอนอสัณฐานชนิดต่างๆ พร้อมทั้งสำรวจอุณหพลศาสตร์และพลศาสตร์ของการเปลี่ยนรูปกราไฟต์ในระดับที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้น
สิ่งเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการพัฒนาอุตสาหกรรมกราไฟต์ในอนาคต
วันที่เผยแพร่: 10 พฤษภาคม 2564