Iron-catalyzed graphitization of biochar to produce graphitic carbon materials

Demand for high-quality graphite is expected to experience an extraordinary growth rate, in large part due to its wide range of industrial applications such as adsorbents, lubricants, electrodes, etc. This thesis developed a novel sustainable approach to produce green-graphite materials by applying biochar, acarbon-rich valuable by-product obtained from biomass, as a carbon precursor. Meanwhile, iron-based catalysts are applied to enable the graphitization at a relatively lower temperature. This study focuses on the different parameters which could affect the evolution of carbon structure. The samples were mixed with catalyst in two ways, dry mixing and wet impregnation. Aside from the addition method, several parameters including temperature, heating duration, and iron loading amount were varied from 800 to 1300 ℃, 1 to 6 hours, and 0 to 33.6% respectively, to figure out an optimum graphitization process. The samples were characterized by X-ray diffraction, Raman scattering, SEM and particle size distribution analysis. Based on the characterization results, it was confirmed that with the increase of the graphitization temperature, duration and amount of iron loading, synthetic graphite performs a better graphitization and a higher conversion rate. Meanwhile, a detailed dissolution-precipitation mechanism was introduced and discussed in the context of iron-carbon equilibrium phase diagram to explain this catalytic process.Efterfrågan på högkvalitativ grafit förväntas uppleva en extraordinär tillväxttakt, till stor del på grund av dess breda utbud av industriella applikationer som adsorbenter, smörjmedel, elektroder etc. Denna avhandling utvecklar ett nytt hållbart tillvägagångssätt för att producera grön-grafit genom att använda biokol, en kolrik värdefull biprodukt erhållen från biomassa, som en kolprekursor. Även järnbaserade katalysatorer används för att möjliggöra grafitisering vid relativt lägre temperaturer. Denna studie fokuserar på de olika parametrar som kan påverka bildandet av kolstrukturen. Proverna blandades med katalysatormaterialet på två sätt, torrblandning och våtimpregnering. Förutom tillsatsmetoden justeras flera andra parametrar, inklusive temperatur, uppvärmningstid och mängd järnbelastning för att få en optimal grafitiseringsprocess. Proverna karakteriserades därefter genom röntgendiffraktion, Ramanspridning, SEM och partikelstorleksfördelningsanalys. Baserat på karakteriseringsresultaten bekräftades det att med en ökande grafitiseringstemperatur, varaktighet och mängd av järnbelastning, får syntetisk grafit en bättre grafitisering och en högre omvandlingsgrad. Även en detaljerad upplösnings-utfällningsmekanism introducerades och diskuterades i sammanhanget av järn-kol jämviktsfasdiagrammet för att förklara den katalytiska processen