Электрохимический синтез низкоплотных углеродных материалов для очистки воды

Количество электричества в анодной части ЦПДК (Q) с увеличением Еа закономерно возрастает, но уменьшается при циклировании. Qt будет определяться токами восстановления ПФГ, СВГ и адсорбированного кислорода. С ростом интервала сканирования потенциалов, а также по мере циклирования, отмечается увеличение QK. Возрастание QK при циклировании с одновременным уменьшением Qa может быть объяснено лишь увеличением доли объемных реакций интеркалирования - деинтеркалирования в общем токе, по-видимому, вследствие упорядочивания структуры углеродного материала. В данном интервале потенциалов скорость образования СВГ увеличивается, так как отмечается возрастание токов и в катодной области (Сл), обусловленных преимущественно реакциями деинтеркалации. При более высоких потенциалах (Е>1,6В) соотношение QK/Qa перестает изменяться, выявленные тенденции по влиянию циклирования сохраняются, токи процесса деинтеркалации еще более возрастают.

Результаты, полученные методом ЦПДК, были подтверждены потенциостатическим синтезом СВГ с оценкой свойств получаемых соединений методом РФА и термообработкой с определением насыпной плотности ТРГ. Синтез проводился в специальной ячейке, позволяющей регистрировать изменение толщины графитового слоя в ходе эксперимента.

Анодная обработка графита в 13,5М растворе HN03 при потенциалах <1, ЗВ не приводит к образованию СВГ, окисленный графит не терморасширяется при ТО (900 С), РФА обнаруживает набор пиков, характерных для исходного графита. В интервале потенциалов 1,34-1,6 В процесс интеркалирования графитовой матрицы протекает с весьма малой скоростью.

Причем, согласно РФА возможно образование лишь высших ступеней СВГ, которые в 13,5 М быстро частично или полностью гидролизуются.

Так, для образца ГСМ-1 после обработки при 1,5В в течение 20 часов дифрактограммы обнаруживают следы IV ступени нитрата графита, гидролизованное СВГ и остаточный графит. Полученные образцы способны к незначительному терморасширению.

При Е>1,6В скорость анодных процессов значительно возрастает. Спад тока на потенциостатических кривых (ПСК) обусловлен заряжением двойного электрического слоя и окислением ПФГ. Дальнейший ход кривых характеризуется наличием ряда перегибов, после чего ток во времени практически перестает изменяться. Кривые изменения толщины графитового слоя коррелируют с ПСК. Быстрому спаду тока соответствует нулевое и в ряде случаев отрицательное изменение толщины графитового слоя, что свидетельствует о протекании в этот промежуток времени лишь поверхностных электродных реакций. Следовательно, нами экспериментально показано наличие индукционного периода (ИП), предшествующего процессу внедрения и заключающегося в оcновном в изменении состава ПФГ на поверхности графита. Затем отмечается наиболее интенсивное увеличение толщины слоя графита, которое постепенно замедляется. Подобное увеличение толщины графитового слоя вызвано объемными реакциями интеркалирования, скорость которых по мере нарастания диффузионных затруднений при перемещении интеркалата вглубь графитовых кластеров падает. По завершении процесса интеркалации, когда прекращается увеличение объема графитового анода, на потенциостатических кривых продолжается регистрация токов, которые могут быть либо вызваны переокислением образовавшихся СВГ, либо связаны с поверхностными реакциями.

Ведение анодной поляризации графита в более равновесных условиях способствует наиболее полному заполнению межслоевых пространств графитовой матрицы (большее увеличение толщины графитового слоя). Синтез при потенциале 2,1 В (кривая 2, рис.3), наряду с ускорением процессов интеркалирования, стимулирует протекание поверхностных реакций 1-3, что должно вызывать уплотнение графитового слоя. Кроме того, в этих условиях можно прогнозировать меньшее количество воды в составе интеркалата. Способность синтезированных соединений к терморасширению зависит от значения Еа и определяется пропущенным количеством электричества (Q) через углеродный материал. С увеличением Q закономерно снижается, затем вновь отмечается ее возрастание. Это вызвано увеличением дефектности графитовой матрицы из-за реакций, что при последующей ТО снижает степень терморасширения СВГ. Оценивая зависимость Q - Е" как стационарную поляризационную кривую суммарного электродного процесса, можно выделить три основных области потенциалов. В области I (до 1,5В) процессы электрохимического внедрения отсутствуют, доминируют обратимые реакции окисления ПФГ. Даже длительная анодная обработка графита (20 часов) при Еа=1, ЗВ не приводит к увеличению толщины графитового слоя в ходе электролиза и образованию ТРСГ. При Еа=1,5В за то же время удается синтезировать образцы с К до 20-30. Следовательно, пороговый потенциал образования СВГ для 13,5М HN03 находится в пределах 1,4-1,5В. В области II преимущественно протекают процессы электрохимического внедрения, сопровождающиеся гидролизом.