Механизмы действия кальция

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 11390 (2023) Цитировать эту статью

383 доступа

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Недавнее исследование показало, что высококристаллические материалы на основе графена можно получить из плохо организованных предшественников углерода, используя кальций в качестве нетрадиционного катализатора. Рентгеновский и TEM-анализ биоуглей целлюлозы и лигнина, пропитанных кальцием, показал образование хорошо упорядоченных графеновых структур (Lc > 7 нм, d002 <0,345 нм) при температуре выше 1200 °C, что намного ниже стандартных температур графенизации (T > 2000 °C). . Здесь мы предлагаем новое понимание механизма, контролирующего образование высокографеновых биоуглей с использованием Ca в качестве катализатора. Мы постулируем, что катализируемая кальцием графенизация происходит за счет образования метастабильного карбида кальция в результате реакции между частицами CaO и аморфным углеродом при температуре от 1000 до 1200 ° C. CaC2 разлагается на пары кальция и графеновую оболочку, покрывающую частицы CaC2, что подтверждено анализом ПЭМ. Толщина и плоскостность графеновой оболочки увеличиваются с увеличением начального размера частиц CaC2 (от 20 до 200 нм), а ее рост контролируется диффузией паров кальция через слой графена. Для биоуглей лигнина была получена более эффективная графенизация по сравнению с целлюлозой с Lc > 10 нм и d002 < 0,340 нм, что объясняется внедрением серы в графеновые оболочки, что способствует их разрыву и разложению CaC2 в графен. Мы считаем, что эти результаты позволят снизить затраты и воздействие на окружающую среду синтеза материалов на основе графена с использованием дешевого и распространенного возобновляемого сырья и катализаторов.

Графен — это двумерный углеродный материал, состоящий из sp2-гибридизированных атомов углерода, расположенных в гексагональной решетке. Он характеризуется высокой электропроводностью (~ 106 см-1), механической прочностью (предел прочности ≈ 130 ГПа) и удельной поверхностью (~ 2675 м2 г-1)1,2. Поэтому графен и материалы на его основе, такие как фуллерен, углеродные нанотрубки или графит, рассматриваются для применения в различных передовых областях, таких как суперконденсаторы3,4,5, электроника6, накопление энергии7 и медицинские устройства8,9. Графен в настоящее время синтезируется либо нисходящим, либо восходящим способами, которые обычно требуют сложной механической, химической или термической обработки10,11,12. Кроме того, большинство стандартных предшественников углерода для синтеза графена включают в себя неустойчивые ископаемые или нефтяные ресурсы, что увеличивает экологические издержки синтеза графена и материалов на его основе.

В последние годы использование лигноцеллюлозной биомассы в качестве прекурсора для синтеза графена привлекло большое внимание из-за ее распространенности, возобновляемости и низкой стоимости. Однако лигноцеллюлозные биоресурсы, представляющие собой сложную смесь целлюлозы, гемицеллюлоз и лигнина с неорганическими элементами, являются «неграфитизированными» углеродами, а это означает, что они образовывали короткие и неравномерно уложенные листы графена (турбостратный углерод) даже после карбонизации при высоких температурах ( Т > 2000 °С)13,14,15,16. Таким образом, графенизация соответствует образованию и росту графеновых слоев от неупорядоченного углерода до 2D-углеродных материалов с легким 3D-характером (турбостратный), тогда как графитизация относится к регулярной кристаллической 3D-структуре17. Тем не менее, предыдущие исследования показали, что легирование предшественника лигноцеллюлозной биомассы тщательно отобранными видами улучшает графенизацию неграфитизируемых углеродов до высококристаллических материалов на основе графена при относительно низких температурах (T <1000 ° C). Хоекстра и др. и Севилья и др. оба получили высококристаллический графеновый углерод из целлюлозы при 800 и 900 °C с использованием никеля18,19, тогда как Yan et al., Gong et al. и Томпсон и др. использовали железо для производства многослойных графеновых материалов при температуре ниже 1000 °C из крафт-лигнина, бамбуковых и хвойных опилок соответственно20,21,22. Большинство статей о каталитической графенизации посвящено переходным металлам, особенно железу, кобальту и никелю, из-за их эффективности и распространенности графенизации19,20,21,22,23,24,25,26,27. Тем не менее, старые исследования, проведенные в 80-х годах и обобщенные Ойей и др.28, показали, что множество элементов, в частности щелочноземельные металлы, такие как кальций, могут быть эффективными катализаторами графенизации различных углеродных ресурсов29,30. Этот последний путь больше не рассматривался до недавнего исследования нашей команды. Мы подтвердили каталитическую активность кальция в отношении графенизации биоугля целлюлозы, карбонизированного при 1800 °С31. Таким образом, пропитка биоресурса кальцием привела к образованию высокографенового домена в биоугле, доля которого увеличивается с увеличением нагрузки кальцием. В отличие от стандартных катализаторов на основе переходных металлов (Fe, Ni, Co), кальций более экологичен, распространен и дешевле, и поэтому может привлечь больше внимания в будущих работах в области графеновых углеродных материалов.