Comment fabriquer une électrode en pâte de carbone ?

L'électrode en pâte de carbone est un type de matériau conducteur utilisé dans les fours à minéraux, les fours à carbure de calcium et d'autres équipements. Elle est composée de matières premières à base de carbone et d'adhésifs et présente des avantages uniques en matière de surveillance de l'environnement et dans d'autres domaines. Son processus de préparation est simple, son coût est faible, ses propriétés sont modifiables et flexibles, ce qui attire l'attention de la recherche scientifique et de l'application pratique.

Préparation des matériaux

Matières premières carbonées

Les matériaux de base en carbone de pâte d'électrode sont le coke de pétrole, le coke d'asphalte et le graphite. Le coke de pétrole a une teneur élevée en carbone, moins d'impuretés et une résistivité plus faible après calcination à haute température. Le coke d'asphalte a une résistance mécanique élevée et une bonne conductivité électrique, ce qui peut améliorer la stabilité de l'électrode. Débris de graphite possède une excellente conductivité électrique et thermique, ce qui permet d'améliorer les performances en matière de transfert de chaleur et de transport d'électrons. En fait, selon l'utilisation de la pâte d'électrode, la proportion de ces deux éléments est ajustée avec précision.

Reliure

Charbon bitume est le liant le plus couramment utilisé. Chauffé à une certaine température, il passe de l'état solide à l'état liquide, enrobant uniformément les particules de carbone et leur permettant de se lier étroitement. Le point de ramollissement de l'asphalte de houille détermine sa plage de température d'écoulement. Un point de ramollissement approprié lui permet de s'infiltrer complètement dans la matière première lorsqu'il est chauffé. Il assure une force de liaison suffisante après refroidissement et maintient la forme et la structure de la pâte d'électrode. La valeur de cokéfaction reflète sa capacité de cokéfaction à haute température. Une valeur de cokéfaction élevée permet d'améliorer la résistance mécanique et la conductivité électrique de la pâte d'électrode à haute température.

Additifs

Afin d'optimiser les performances de la pâte d'électrode, des additifs spécifiques sont parfois ajoutés. La poudre de cuivre, la poudre d'aluminium et d'autres poudres métalliques présentent une bonne conductivité électrique et peuvent, après ajout, améliorer de manière significative la conductivité électrique. Les matériaux fibreux tels que la fibre de carbone peuvent améliorer la résistance mécanique. Ainsi, la pâte d'électrode n'est pas facile à casser lorsqu'elle est soumise à des forces externes. Les antioxydants peuvent améliorer la capacité antioxydante à haute température et prolonger la durée de vie. Toutefois, le type et la quantité d'additifs doivent faire l'objet d'un grand nombre d'expériences et de tests stricts pour éviter d'affecter d'autres propriétés.

Préparation de la pâte de carbone Étape

Peser le toner et l'adhésif

Peser la poudre de carbone et les adhésifs selon une formule soigneusement élaborée. Utiliser une balance électronique de haute précision pour peser avec exactitude les matières premières carbonées et les adhésifs. Lors du pesage, contrôler strictement les conditions environnementales afin d'éviter que les matières premières carbonées ne soient hygroscopiques ou ne se détériorent en raison des changements de température et d'humidité. Les matières premières facilement hygroscopiques sont placées dans un environnement sec et traitées dès que possible. Étalonnage régulier de la balance pour garantir un pesage précis. Les exigences en matière de performance de la pâte d'électrode varient selon les scénarios d'application. Il convient de tenir compte de l'utilisation de l'environnement, de la performance et du coût pour déterminer la meilleure formule.

Broyage mixte

Mélanger et broyer les matières premières et les adhésifs mesurés dans un mélangeur à grande vitesse ou une machine à pétrir puissante. Tout d'abord, remuer à faible vitesse pendant 10 à 15 minutes pour disperser les grosses particules au départ. Ensuite, augmenter la vitesse et chauffer à 150-180 ℃, laisser le brai de charbon se ramollir et envelopper les particules de carbone. L'agitation se poursuit pendant 30 à 45 minutes. Le mélange entièrement remué est également transféré dans le broyeur à billes et d'autres équipements pendant 2 à 4 heures. Pour affiner les particules de carbone, lier étroitement l'adhésif et améliorer l'uniformité et la stabilité de la pâte de carbone.

Processus de formation des électrodes en pâte de carbone

Méthode de remplissage à la main

La méthode de remplissage à la main est une méthode simple et directe de formation des électrodes. Tout d'abord, nettoyer la matrice d'électrode préparée (telle que électrode de carbone en verre) et le sécher avec de l'azote. Prenez ensuite une quantité appropriée de pâte de carbone préparée. Remplissez soigneusement de pâte de carbone la surface de la base de l'électrode ou une rainure spécifique à l'aide de pinces ou de tiges de verre. Lors du remplissage, la pâte de carbone doit être répartie aussi uniformément que possible afin d'éviter les trous ou les épaisseurs inégales. Après le remplissage, appuyez doucement sur la pâte de carbone avec votre doigt ou un outil pour la fixer fermement à la base de l'électrode. Cette méthode est facile à mettre en œuvre, aucun équipement spécial n'est nécessaire, mais l'expérience de l'opérateur est élevée. De plus, la consistance de l'électrode après le formage est relativement médiocre.

Méthode de formation des moules

La méthode du moulage permet de préparer des électrodes en pâte de carbone de forme régulière, de taille précise et de bonne consistance. Tout d'abord, en fonction de la forme et de la taille souhaitées de l'électrode, sélectionner ou personnaliser le moule approprié, tel que le moule en PTFE. Une fois le moule nettoyé et séché, appliquez uniformément une couche d'agent de démoulage sur la surface du moule pour le démoulage ultérieur. Ensuite, la pâte de carbone est introduite dans la cavité du moule et l'outil compacte la pâte de carbone. Il faut s'assurer que la pâte de carbone remplit complètement le moule et que la surface est plane. Le moule contenant la pâte de carbone est ensuite placé dans certaines conditions de température et de pression pour le durcissement. (Si l'on utilise un liant qui doit être durci, comme la résine époxy). Après le durcissement, le moule est ouvert avec précaution et l'électrode en pâte de carbone formée est retirée. Cette méthode convient à la préparation à grande échelle et aux scénarios d'application exigeant une grande précision dimensionnelle et de forme de l'électrode.

Post-traitement des électrodes en pâte de carbone

Meulage et polissage des surfaces

La surface de l'électrode en pâte de carbone formée peut être irrégulière ou rugueuse. Cela affecte les performances électrochimiques et la reproductibilité de l'électrode. Il est donc nécessaire de poncer et de polir la surface de l'électrode. Tout d'abord, la surface de l'électrode est poncée avec du papier de verre pour éliminer les bosses et les parties irrégulières évidentes. (Pendant le processus de meulage, vous devez veiller à ce que la force exercée sur la surface de l'électrode reste uniforme. Pour éviter d'endommager la couche de pâte de carbone. Ensuite, polissez l'électrode à l'aide d'un chiffon de polissage et d'une pâte de polissage (telle que la pâte de polissage à l'alumine). Pour obtenir un effet miroir sur la surface de l'électrode. La surface polie de l'électrode est plus lisse, ce qui permet de réduire efficacement le courant de fond de l'électrode et d'améliorer la sensibilité et la stabilité de la réponse de l'électrode.

Nettoyage et activation

Des particules abrasives, de la pâte à polir et d'autres impuretés peuvent rester à la surface de l'électrode après le meulage et le polissage, et doivent être nettoyées. Tremper les électrodes dans de l'éthanol anhydre pendant 5 à 10 minutes pour un nettoyage par ultrasons, puis les rincer à l'eau déminéralisée et les sécher à l'azote. L'électrode nettoyée doit également être activée pour améliorer son activité électrochimique. La méthode d'activation utilise généralement la voltampérométrie cyclique électrochimique pour balayer l'électrode plusieurs fois à une certaine vitesse de balayage (par exemple 50 mV/s) dans un électrolyte spécifique. Un site actif stable est ainsi formé à la surface de l'électrode, ce qui permet d'optimiser les performances électrochimiques de l'électrode.

Inspection de la qualité et évaluation des performances

Contrôle de l'apparence

Vérifier l'aspect de l'électrode à l'œil nu et au microscope. Vérifiez à l'œil nu si la forme générale de l'électrode est régulière. Si la pâte de carbone est complète et s'il y a des fissures, des trous ou des chutes. Vous pouvez utiliser le microscope pour observer la structure microscopique de la pâte de carbone. Par exemple, la distribution de la poudre de carbone et de graphite est uniforme, et l'état de l'enrobage adhésif est satisfaisant. La surface de l'électrode de haute qualité doit être lisse et la pâte de carbone doit être étroitement combinée à la matrice, sans défauts évidents.

Test de performance électrochimique

Vous pouvez utiliser la station de travail électrochimique pour tester les performances des électrodes en pâte de carbone. Les méthodes courantes comprennent la voltampérométrie cyclique (CV), la voltampérométrie différentielle (DPV) et la spectroscopie d'impédance en courant alternatif (EIS). La CV étudie le comportement REDOX de l'électrode, mesure la réponse du courant à différents potentiels, détermine le potentiel et le courant de pointe REDOX. Il évalue également la performance catalytique de substances spécifiques. Le DPV a une sensibilité élevée, analysant le changement de courant sous un potentiel d'impulsion pour détecter les substances à faible concentration. L'EIS étudie le transfert de charge et la résistance interne de l'interface électrode/solution, mesure l'impédance CA à différentes fréquences pour obtenir les paramètres du circuit équivalent. Elle évalue la performance de l'interface et la capacité de transport des électrons.

Conclusion

La production d'une électrode en pâte de carbone comporte de nombreuses étapes et des facteurs d'influence complexes. Depuis la sélection des matériaux, la préparation, le moulage, le post-traitement et l'évaluation des performances, chaque maillon est crucial. Un contrôle raisonnable des paramètres permet de produire des électrodes de haute qualité, et le processus de production futur continuera à être optimisé et innovant.