54 research outputs found
Hiilinanoputki-kuparikomposiittien valmistus ja ominaisuudet
No full textPristine individual carbon nanotubes (CNT) exhibit extraordinary mechanical, thermal and electrical properties, which have been difficult to translate into practical applications. One route to obtaining improved material properties on a larger scale is to combine carbon nanotubes with a traditional conductor material, copper. Such composites have been proposed as a new generation of conductor materials to replace traditional copper conductors due to their potential for improving various properties of copper, such as specific electrical conductivity, current carrying capacity, mechanical properties and specific density.
This thesis focuses on the electrochemical deposition process of copper onto premade carbon nanotube macrostructures, such as a CNT fiber, yarn and film, from aqueous copper sulphate electrolytes. The microstructure and specific electrical conductivity of the electrodeposited CNT-Cu samples are also investigated as well as the corrosion properties of CNT-Cu wires.
The properties of pristine CNT macrostructures, such as low electrical conductivity, hydrophobicity and existence of impurities are found to affect the electrochemical deposition process considerably. Due to the low electrical conductivity of CNT macrostructures, the electrochemical deposition begins closest to the electrical contact and proceeds further as the copper deposit provides more conductivity to the working electrode. The degree of penetration of Cu on the inside of CNT material was found to be dependent on the porosity of CNT material, with higher porosity CNT macrostructures being easier to deposit on the inside.
Oxidative pre-treatments were applied in order to improve the electrochemical response of the employed CNT films. The degree of the functionalization treatments, heat treatment and electro-oxidation, were controlled by the employed parameters. The electrochemical activity of CNT films could be considerably enhanced, while the undesired amorphous carbon particles were removed. In addition, the CNT film became hydrophilic, which enabled deposition inside the CNT network and not just on the surface of the film.The microstructure of CNT-Cu fibers and yarns were found to affect their specific electrical conductivity. At any given amount of nanotubes, the specific conductivity of CNT-Cu fibers, where carbon nanotubes are embedded inside a copper matrix is smaller than that for a CNT-Cu yarn with only a copper cladding surrounding the carbon nanotube core. This is assumed to be due to the high electrical resistance of the curved nanotubes themselves and the nanotube-nanotube junctions on the inside of the wire.
The corrosion properties of CNT-Cu wires with 0.05 wt % multiwall nanotubes produced by casting and drawing were also investigated. The effect of the small concentration of nanotubes inside the copper matrix was shown to reduce the corrosion rate slightly. No galvanic corrosion between CNTs and the surrounding Cu matrix could be observed by measurements or from the sample surfaces.Yksittäisillä hiilinanoputkilla on huomattavan hyvät mekaaniset, termiset ja sähköiset ominaisuudet. Yksi keino hyödyntää näitä ominaisuuksia suuremmassa mittakaavassa on valmistaa komposiittimateriaali, jossa yhdistetään hiilinanoputkia kuparin kanssa. Tällaista materiaalia on ehdotettu korvaamaan perinteisiä kuparijohtimia, koska komposiitti voi teoreettisesti tarkasteltuna parantaa useita johdinmateriaalille tärkeitä ominaisuuksia, kuten sähköistä johtavuutta ja virrankantokykyä sekä keventää sen painoa.
Tämän väitöskirjan tavoitteena on tutkia kuparin sähkösaostusprosessia vesipohjaisesta kuparisulfaattielektrolyytistä erilaisille hiilinanoputkimatriiseille, kuten hiilinanoputkikuiduille, hiilinanoputkilangoille ja hiilinanoputkikalvoille. Hiilinanoputkimatriisien alhaisen sähköisen johtavuuden takia sähkösaostusprosessi alkaa läheltä sähköistä kontaktia ja etenee kauemmas kasvavan kuparin parantaessa työelektrodin sähkönjohtavuutta. Kuparin kasvu nanoputkimatriisin sisälle on sitä helpompaa, mitä suurempi on matriisin huokoisuus.
Hapettavat esikäsittelyt paransivat hiilinanoputkifilmien sähkökemiallista aktiivisuutta huomattavasti. Hapetuskäsittelyn vahvuutta voitiin kontrolloida sekä lämpökäsittelyllä että sähkökemiallisella hapetuksella. Samalla kun materiaalin sähkökemiallinen aktiivisuus kasvoi, myös amorfinen hiili hapettui pois materiaalin pinnalta. Lisäksi materiaalin hydrofiilisyys kasvoi, jolloin kuparin sähkösaostus filmin sisälle tuli mahdolliseksi.
Hiilinanoputki-kuparikuitujen ja lankojen mikrorakenne vaikutti niiden massalla normalisoituun sähköiseen johtokykyyn (spesifinen johtavuus). Hiilinanoputki-kuparikuitujen spesifinen johtavuus oli pienempi, kuin vastaavien hiilinanoputki-kuparilankojen. Langoissa kupari pinnoittui vain matriisin päälle muodostaen puhtaan hyvin johtavan kuparipinnoitteen, kun kuiturakenteissa kupari ydintyi myös nanoputkien väliin matriisin sisälle. Tällöin kuitujen spesifistä johtavuutta heikensi myös nanoputkien väliset kontaktivastukset sekä heikko ominaisjohtavuus.
Työssä tutkittiin myös valettujen ja langoiksi vedettyjen 0.05 painoprosenttia hiilinanoputkia sisältävien kuparilankojen korroosio-ominaisuuksia. Komposiittilankojen korroosionopeus oli tutkituilla metodeilla hieman puhdasta kuparia pienempi. Viitteitä galvaanisesta korroosiosta ei todettu sähkökemiallisilla menetelmillä eikä korroosiopintoja tutkimalla
Sähkökemialliset metodit akkumetallien talteenottoon litiumioniakkujen kierrätysprosessien liuoksista
No full textLithium-ion batteries are a hot topic when discussing future technologies. Electric vehicles, modern power grids and an increasing number of portable devices have grown the demand for batteries exponentially, and the trajectory is expected to continue for decades. Elevated need for reliable and powerful batteries has raised concerns over the sufficiency and sustainability of battery metal production (i.e. for nickel, cobalt and lithium). Moreover, recycling technologies are underdeveloped considering the number of batteries in circulation now and available for recycling in the future. Thus, the demand for these elements will not subside in some time, which means researching more efficient ways to recover battery metals from used lithium-ion batteries is critical.
In this work, currently operational battery recycling processes have been studied. A new recycling process, partly based on the processes studied, was created and simulated. The process used reductive leaching by sulphuric acid and hydrogen peroxide. Impurities were removed via cementation, hydroxide precipitation or solvent extraction. The composition of the raw material feed used in the simulation was varied, and the resulting solution compositions were tabulated. The composition of the solution used in the electrochemical experiments in the experimental part of this work was determined based on simulations, as well as on literature review on solutions from real recycling processes.
Electrochemical redox reactions of dissolved nickel, cobalt and lithium were studied under varying conditions with cyclic voltammetry. E-pH diagrams were drawn in order to determine which phases were formed. The experiments were conducted in temperatures of 25 °C, 50 °C and 75 °C, for solutions with a pH of 5, 6 or 7. The possible electrochemical reactions that occurred on the electrode surface were determined, and the results were compared to those found in literature. The goal of these experiments was to determine whether it is possible to recover these metals in an oxide form, thereby simplifying the recycling process and bypassing the conventional precipitation and calcination steps.
Based on the electrochemical experiments, it was found that the reactions occurring on the electrode are complex and highly dependent on the applied parameters. Especially in experiments conducted at 75 °C, the anodic deposit of cobalt oxides was prone to detaching from the surface of the electrode, which limited the amount of information that could be obtained from the experiments. In solutions containing cobalt, a reversible oxidation reaction could be observed in a temperature of 50 °C, within a pH range of 6-7. No reversible oxidation reaction could be observed for nickel, which conflicted with literature. At 25 °C, both cobalt and nickel were oxidised irreversibly.Litiumioniakkujen kysyntä on viime vuosina noussut kuumaksi puheenaiheeksi. Liikenteen sähköistyminen, modernit sähköverkot ja kannettavien laitteiden määrän kasvu ovat kasvattaneet akkujen kysyntää räjähdysmäisesti, ja kehityksen ennustetaan jatkuvan samaan suuntaan myös tulevina vuosikymmeninä. Luotettavien ja tehokkaiden akkujen kasvanut tarve aiheuttaa kuitenkin suuria haasteita raaka-aineiden (varsinkin nikkelin, koboltin ja litiumin) riittävyyden ja luonnonvarojen kestävän käytön näkökulmasta. Lisäksi akkujen kierrätys on kokoluokaltaan sekä teknologialtaan vielä lähtötelineissä verrattuna nyt ja tulevaisuudessa kierrossa olevien akkujen määrään. Näillä syin voi perustella akkujen kierrätyksen olevan ehdottoman tärkeä tutkimusalue: kriittisten raaka-aineiden tehokkaalla kierrätyksellä voi lievittää tulevaisuudessa vääjäämättä siintävää raaka-ainepulaa.
Tässä työssä tutkittiin ja vertailtiin tällä hetkellä teollisessa käytössä olevia litiumioniakkujen kierrätysprosesseja. Osin näiden prosessien pohjalta luotiin kierrätysprosessi, jonka toimintaa simuloitiin. Prosessissa käytettiin pelkistävää liuotusta rikkihapolla ja vetyperoksidilla. Epäpuhtaudet poistettiin sementoinnin, hydroksidisaostuksen ja liuos-liuosuuton avulla. Simulaation käyttämän raaka-aineen koostumusta muuttamalla tutkittiin liuosten sisältämää koboltin, nikkelin ja litiumin määrän muutosta. Tulokset taulukoitiin, ja niiden sekä todellisten kierrätysprosessien liuoskoostumusten perusteella määritettiin kokeellisessa osassa sähkökemiallisis-sa kokeissa käytetyn liuoksen koostumus.
Työssä tutkittiin myös nikkeliä, kobolttia ja litiumia sisältävien liuosten sähkökemiallisia hapettumis-pelkistymisreaktioita syklisen voltammterian avulla. E-pH diagrammeja piirrettiin muodostuvien faasien tunnistamiseksi. Kokeet suoritettiin 25 °C, 50 °C ja 75 °C lämpötiloissa ja liuosten pH oli 5, 6 tai 7. Elektrodin pinnalla tapahtuvat mahdolliset sähkökemialliset reaktiot selvitettiin ja tuloksia vertailtiin alan kirjallisuuden vastaaviin. Kokeiden avulla oli tarkoitus määrittää, onko mahdollista kerätä nikkeliä tai kobolttia suoraan liuoksesta oksideina ilman perinteisiä liuos-liuosuutto-, saostus- ja kalsinointivälivaiheita, täten huomattavasti yksinkertaistaen kierrätysprosesseja.
Sähkökemiallisten kokeiden perusteella voitiin päätellä, että elektrodilla tapahtuvat reaktiot ovat monimutkaisia ja varsin riippuvaisia vallitsevista olosuhteista. Erityisesti 75 °C suoritetuissa kokeissa elektrodin pinnalle muodostunut kobolttipitoinen saostuma irtosi helposti sekoituksen voimasta, minkä vuoksi korkeissa lämpötiloissa tapahtuvista hapettumisreaktioista saatiin vain rajallisesti tietoa. Kobolttia sisältävissä liuoksissa havaittiin selkeä reversiibeli hapettumisreaktio 50 °C lämpötiloissa pH-alueella 6-7. Nikkelillä ei havaittu reversiibeleitä hapettumisreaktioita, mikä oli ristiriidassa kirjallisuuden kanssa. 25 °C lämpötilassa havaittiin sekä nikkelin että koboltin hapettuvan irreversiibelisti
Copper recovery from industrial wastewater - Synergistic electrodeposition onto nanocarbon materials
No full textFunding Information: G.S, B.K, and D.J. would like to thank the National Center for Research and Development, Poland (under the Leader program, grant agreement LIDER/0001/L-8/16/NCBR/2017). G.S. and D.J. also acknowledge the National Agency for Academic Exchange of Poland (under the Academic International Partnerships program, grant agreement PPI/APM/2018/1/00004) for supporting training in the Aalto University , which enabled the execution of the study. G.S. acknowledges the Ministry of Science and Higher Education of Poland for financial support of scientific work from budget funds for science in the years 2019–2023 as a research project under the “Diamond Grant” program (grant agreement 0036/DIA/201948). P-M.H. and M.L. acknowledge the support of the “NoWASTE” project (Grant 297962) funded by Academy of Finland . Publisher Copyright: © 2021 The Author(s)In this study, copper present in industrial waste water with a variety of other impurities (Fe, Mg, Al, Zn, As) was subjected for selective electrochemical recovery. The recovery was conducted directly on carbon nanostructures in order to create added-value products synergistically. In-depth electrochemical and structural analysis showed that single/multi-walled carbon nanotubes (CNTs) and graphene composites could provide an excellent substrate for Cu's electrochemical recovery. Furthermore, formulations based on them also enabled the formation of even Cu deposits on the surface directly from wastewater solutions without further bath condition adjustments. After just 1-h electrodeposition at −0.1V vs. SCE, a nanocomposite based on CNTs was obtained. Cu was recovered exclusively and accounted for 45% of the total weight of the composite.Peer reviewe
Recovery of Silver from Dilute Effluents via Electrodeposition and Redox Replacement
No full textIn this study, the electrodeposition-redox replacement (EDRR) method was studied for the recovery of minor concentrations of silver from dilute solutions. The parameter optimization was carried out with synthetic solutions similar to silver oxide button battery recycling effluents, consisting of sulfuric acid and concentrated base metal (10 g.L-1 H2SO4, 60 g/L Zn2+) with a minor amount of silver (100 ppm) and a varying amount of Fe3+ ions. Results of these experiments were analyzed both electrochemically and by use of SEM-EDS. The role of dissolved Fe3+ ions was studied by varying the concentration from 0 to 1000 ppm and the results showed that although the presence of Fe ions decreased silver recovery efficiency, final product purity was found to increase slightly. The EDRR process was also found to be more effective for Ag recovery and has less energy consumption when Fe3+ concentrations are relatively low (Peer reviewe
- …
