Những phát triển gần đây về tổng hợp vật liệu nanocomposite thông qua phương pháp nghiền bi cho các ứng dụng lưu trữ năng lượng
Ứng dụng nổi bật
Trọng tâm của bài nghiên cứu này là triển khai vật liệu nanocomposite bằng phương pháp nghiền bi cho các ứng dụng tiềm năng về lưu trữ năng lượng.
Tóm tắt
Bài đánh giá này tập trung vào những phát triển mang tính chủ đề trong quá trình tổng hợp vật liệu nanocomposite bằng cách sử dụng phương pháp tiếp cận từ trên xuống đơn giản nhất, nghiền cơ học hóa học và các khía cạnh liên quan của tương tác giao diện. Các ràng buộc nghiền bao gồm thời gian nghiền, kích thước bi, tỷ lệ hàm lượng bi/mẫu, tốc độ quay và năng lượng tham gia vào một phần quan trọng của mối quan hệ cấu trúc-tính chất và tương tác composite. Vật liệu nanocomposite nghiền đang được sử dụng trong các ứng dụng cấu trúc khác nhau vì tốc độ hiệu suất và thông lượng cao hơn. Tổng hợp các nanocomposite khác nhau và tác động của các thông số khác nhau đến khả năng nghiền của nanocomposite được thảo luận. Hơn nữa, một số tiến bộ chính trong lĩnh vực năng lượng được thảo luận trong phần sau của bài đánh giá.
-
Giới thiệu
Hợp kim tăng cường phân tán đầu tiên từng được sản xuất với sự phân bố của phân tán đồng nhất đã được tổng hợp bằng phương pháp luyện kim bột thường được gọi là hợp kim cơ hóa học [ 1 ]. Phương pháp này còn được sử dụng như một phương pháp xử lý không cân bằng mạnh mẽ có thể được triển khai để tổng hợp nhiều loại vật liệu có cấu trúc siêu bền [ 2 ]. Theo phạm trù, nghiền các hạt được phân loại thành (i) nghiền cơ học trong đó bản chất tương tự của các nguyên tố hoặc hợp chất có thể được nghiền và (ii) hợp kim cơ học trong đó các thành phần không giống nhau có thể được nghiền với sự chuyển giao hoặc chia sẻ các loài vật liệu [ 2 , 3 , 4 ]. Do đó, sự ra đời của phương pháp nghiền bi đã hỗ trợ sản xuất các vật liệu có cấu trúc nano siêu bền khi so sánh với các vật liệu tương tự nguyên bản của chúng. Việc tinh chỉnh kích thước hạt là một đặc tính có thể kiểm soát được dựa trên sự khuấy động cơ hóa học, các đặc điểm và đặc tính của các loại bột thành phần liên quan đến kỹ thuật nghiền và cuối cùng là lượng khuyết tật và/hoặc sai lệch được đưa vào dựa trên biến dạng dẻo trong quá trình thu hồi nhiệt [ 2 ].
Trong một quy trình nghiền cơ hóa học năng lượng cao điển hình, các thành phần phản ứng được thêm vào với các viên bi cần thiết và môi trường trong một thùng chứa kín. Sau đó, sau một thí nghiệm nghiền cụ thể, các hạt rất mịn của sản phẩm thu được, thường có kích thước micromet; tuy nhiên, các thành phần được hàn lại với nhau có kích thước nano, để phục vụ cho chất lượng công nghiệp và nghiên cứu. “Môi trường” đề cập đến chất lỏng (ví dụ, môi trường lỏng như dung môi, DI, chất hoạt động bề mặt hoặc chất phân tán và môi trường khí như không khí, argon, nitơ và khí quyển phản ứng, cụ thể là hydro). Nguyên nhân gốc rễ của sự hình thành cấu trúc nano có thể là do hai quá trình đồng thời, gãy hạt và kết tụ/kết tụ (hoặc hàn nguội trong trường hợp hợp kim cơ học) xảy ra ở các tốc độ khác nhau. Ngoài ra, sản phẩm nghiền thể hiện một số lượng lớn các vị trí tích tụ khuyết tật. So với nhiều kỹ thuật tổng hợp khác, nghiền trạng thái rắn có hai lợi thế, ví dụ, quá trình này không chỉ có thể tạo ra các hạt nano cực mịn với tỷ lệ thành phần hóa học xác định mà còn cho phép các sản phẩm đó có năng suất cao, độ đặc cao hơn và tính đồng nhất. Tuy nhiên, một hiện tượng phân tách như sự hiện diện của cặn thuốc thử là không thể tránh khỏi trong quá trình nghiền các vật liệu khác nhau [ 3 ]. Đối với sự phát triển của các vật liệu mới và tiên tiến, với các đặc tính ứng suất-biến dạng thích hợp, các kỹ thuật nghiền bi hoặc nghiền thanh đã được coi là các công cụ tiềm năng và mạnh mẽ. Hợp kim hóa cơ học là một kỹ thuật độc đáo có thể được thực hiện ở điều kiện môi trường xung quanh và với các loại máy nghiền khác nhau, chẳng hạn như năng lượng cao (hoặc thấp), loại ly tâm, loại mài mòn, loại rung và loại lăn.
Trong loại máy nghiền bi rung, quá trình nghiền vật liệu có thể được thực hiện bằng các chuyển động rung có tần số cao và biên độ thấp. Vận tốc của bi trong thiết bị nghiền rung lớn hơn nhiều so với hệ thống máy nghiền bi hành tinh; do đó, có thể cần ít thời gian hơn để giảm kích thước hạt trong máy nghiền bi rung. Ở đây, các thông số tương tự cần được xem xét tại thời điểm quá trình nghiền, tức là tốc độ nghiền, thời gian nghiền, môi trường nghiền, khí quyển, v.v. Một loại máy nghiền khác liên quan đến chuyển động hành tinh của các lọ mẫu chứa vật liệu cần nghiền được gọi là máy nghiền bi hành tinh. Trong phương pháp nghiền hành tinh này, một lực có độ lớn bằng nhau cũng như hướng ngược lại với các thùng chứa và đĩa đỡ bên dưới, thường tạo ra cả ma sát (do bi lăn trên thành) và va chạm mạnh (do bi va vào nhau hoặc với bột đã nghiền). Trong một lần nghiền của máy nghiền bi hành tinh, ít nhất vài trăm gam bột ban đầu có thể được nghiền với độ đồng nhất và tính nhất quán cao. Gần đây, các nhà sản xuất khác nhau đã phát triển khả năng kiểm soát tốc độ quay của từng thùng chứa liên quan đến bề mặt hỗ trợ trong các thiết bị hiện đại [ 4 , 5 , 6 ]. Trong cả quy mô phòng thí nghiệm và quy mô công nghiệp, một thông số vật lý quan trọng, chẳng hạn như động năng (KE = ½ mv 2 ) của các bi năng lượng có khối lượng riêng chuyển động theo vận tốc khuấy, góp phần và xác định hiệu quả và tổng thời gian cần thiết ngoài việc giảm kích thước hạt. Do đó, dựa trên giá trị động năng trong thiết bị quy mô phòng thí nghiệm, máy nghiền rung, do có vận tốc cao hơn, tạo ra sự biến đổi nhanh hơn trong khi khối lượng bi được giữ không đổi khi so sánh với máy nghiền bi hành tinh. Tuy nhiên, máy nghiền rung quy mô công nghiệp, do hạn chế vận tốc, dẫn đến sự biến đổi chậm hơn so với các loại máy nghiền khác.
Hợp kim cơ hóa được coi là phương pháp đa năng để sản xuất vật liệu composite oxit với số lượng lớn [ 7 ]. Tính độc đáo của quy trình hợp kim này là do các va chạm lặp lại do năng lượng cao gây ra của các thành phần, sự nứt vỡ và hàn nguội các vật liệu ứng viên, chẳng hạn như vật liệu vô định hình và/hoặc vật liệu có cấu trúc nano [ 8 ]. Một đặc điểm cạnh tranh khác của quy trình nghiền bi là việc mở rộng quy mô sản xuất vật liệu thành số lượng công nghiệp không cồng kềnh. Nghiền cơ hóa không chỉ ảnh hưởng đến hành vi mài mòn và kết tụ của các vật liệu liên quan mà còn tạo ra phản ứng hóa học cuối cùng quyết định sản phẩm cuối cùng và các tính chất của nó. Với lợi thế của các tính năng bổ sung này của phản ứng biến đổi hóa học do hợp kim cơ học gây ra, một số vật liệu nanocomposite oxit kim loại đã được nghiền bằng các vật liệu phản ứng mạnh hơn. Do đó, việc sử dụng các quy trình cơ hóa thay cho hợp kim cơ học có sự khác biệt khi chúng ta xử lý các loại hóa học phản ứng tạo ra sản phẩm mong muốn [ 9 ].
Máy nghiền bi thông thường có thể được chế tạo với một buồng hình trụ rỗng được tạo ra để quay quanh một trục nằm ngang và được lấp đầy bằng các bi có kích thước khác nhau. Tùy thuộc vào đặc tính của vật liệu cần nghiền, các loại vật liệu khác nhau của thùng chứa và các bi được chọn, ví dụ, thép không gỉ, cacbua vonfram, zirconia, alumina, mã não hoặc silicon nitride. Để tránh phản ứng với thành thùng chứa, chúng được phủ lớp lót dựa trên vật liệu mangan, thép hoặc cao su. Trong loại nghiền cơ học hóa học phản ứng, chân không thấp (~ 10 −3 Torr) hoặc các loại khí cho mục đích đặc biệt, chẳng hạn như argon, hydro, nitơ, sẽ được triển khai trong khi quá trình nghiền đang diễn ra. Nhiều loại máy nghiền bi, chẳng hạn như mài mòn, hành tinh, rung và lăn năng lượng thấp, thường xử lý nhiệt độ và áp suất thay đổi, thuận tiện cho quá trình xử lý và tối ưu hóa tại chỗ [ 10 ]. Quá trình nghiền cơ học hóa học phá vỡ các liên kết hóa học thông qua năng lượng của chuyển động động học của các viên bi va chạm, nghiền nát vật liệu khối để tạo ra các hạt nhỏ và tạo ra bề mặt và tính chất mới. Năm 2020, Tanna và cộng sự đã chuẩn bị và nghiên cứu tác động của vật liệu composite đa ferroic không chứa kim loại chì và được tổng hợp thông qua các kỹ thuật hợp kim cơ học năng lượng cao [ 11 ].
Kỹ thuật nghiền bi là một kỹ thuật tổng hợp từ trên xuống đa năng để tổng hợp các vật liệu nano, bao gồm vật liệu nanocomposite kim loại, đa kim loại, hợp kim, gốm, v.v. Đây là phương pháp chế tạo từ trên xuống đơn giản, tiết kiệm và thông lượng cao đối với nanocomposite so với các kỹ thuật khác. Nghiền bi gia cố các hạt lên bề mặt hoặc vào các lớp xen kẽ của pha ma trận của vật liệu composite [ 12 ]. Điều này có thể được thực hiện có/không có phản ứng hóa học trạng thái rắn. Quá trình nghiền cơ học hóa học bao gồm tổng hợp nhiều vật liệu nanocomposite khác nhau như ma trận kim loại [ 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20 ], ma trận polyme [ 21 ] và ma trận gốm [ 22 , 23 ] nanocomposite.
Các hạt kim loại và hạt gia cường (vật liệu nano) được trộn và nghiền trong lọ đựng mẫu chứa nhiều bi. Các va chạm liên tục, lặp đi lặp lại giữa các hạt, bi và thành bình dẫn đến cơ chế nứt hạt và hàn lạnh, trong đó lực nén, lực cắt và lực ma sát tác dụng cùng nhau để phá vỡ vật liệu thành bột nano. Các cơ chế này dẫn đến sự hình thành bột nanocomposite kim loại mịn tương ứng với trạng thái ban đầu. Ưu điểm của hợp kim cơ hóa là sự phân bố đồng đều các hạt hợp chất vào ma trận, ngăn ngừa sự kết tụ. Trong quá trình nghiền, pha ma trận bị biến dạng dẻo trong khi các hạt hợp chất trở nên mịn hơn do sự va chạm của bi và bột. Kim loại có thể bị dẹt và sau đó được hàn lại với nhau và vật liệu gia cường bị phân mảnh được nhúng vào giữa hai hoặc nhiều hạt kim loại. Các tính chất của nanocomposite nghiền bi chủ yếu bị ảnh hưởng bởi cường độ của ma trận, sự phân tán của chất độn nano, độ xốp, diện tích bề mặt hoạt động, tương tác bề mặt và phản ứng. Liên kết bề mặt ảnh hưởng đến các đặc tính của nanocomposite. Có thể thiết lập liên kết hiệu quả bằng cách sửa đổi góc thấm ướt tại bề mặt. Điều này thường đạt được thông qua quá trình thiêu kết [ 24 ]. Quá trình này được mô tả trong Hình 1 , trong đó các hạt được chèn vào ranh giới bề mặt của kim loại hàn đã được thể hiện rõ ràng.
Phương pháp phổ biến nhất để chế tạo nanocomposite polyme thông qua phương pháp tiếp cận từ trên xuống là phương pháp nghiền ướt. Polyme và chất độn được phân tán trong môi trường dung môi. Kích thước của chất độn được giảm và quá trình trùng hợp đồng thời xảy ra khi chịu tác động của quá trình trộn cơ học. Các hạt hợp kim này có xu hướng kết tụ hoặc kết tinh lại để duy trì năng lượng tự do Gibbs tối thiểu. Các tác nhân kiểm soát quy trình hoặc dung môi được sử dụng để ngăn ngừa kết tụ và duy trì tính ổn định. Nghiền bi năng lượng cao tạo ra động năng cao hơn (~30 mJ) đề cập đến tác động của một vụ va chạm bi duy nhất đang di chuyển với vận tốc ít nhất 3,6 m/s so với nghiền bi thông thường (~5 mJ) [ 25 ]. Có thể đạt được quá trình chuyển đổi pha nhanh hơn và giảm kích thước hạt ở thời gian nghiền tối thiểu với quy trình nghiền cơ học năng lượng cao [ 26 ]. Việc tối ưu hóa các thông số cho quy trình nghiền có xu hướng có tác động lớn đến việc thu được sự phân tán đồng nhất ổn định của các hạt [ 27 ]. Việc chế tạo vật liệu nanocomposite polyme theo phương pháp từ trên xuống được thảo luận liên quan đến tổng hợp vật liệu nanocomposite kim loại.
2. Loại máy nghiền bi
2.1. Dựa trên năng lượng cơ học
Nghiền cơ học-hóa học có thể được phân loại dựa trên năng lượng cơ học được tạo ra trên mẫu bên trong buồng thành máy nghiền bi năng lượng thấp (LEBM) và năng lượng cao (HEBM). Năng lượng giải phóng thông qua va chạm và mài mòn giữa các viên bi và mẫu ảnh hưởng trực tiếp đến sự hình thành các vật liệu nano có diện tích bề mặt riêng cao [ 28 ]. Wei X. và cộng sự đã chế tạo nanocomposite biochar/đồng oxit (BC/CuO) có diện tích bề mặt là 330,0 m2 g -1 trong đó kích thước của CuO là 10,4 nm bằng cách sử dụng HEBM [ 29 ]. Máy nghiền ngang thuộc LEBM, trong khi HEBM bao gồm máy nghiền hành tinh, máy nghiền mài mòn và máy nghiền rung ( Hình 2 )
2.2. Dựa trên chế độ hoạt động
Nghiền trực tiếp và gián tiếp là hai chế độ, tùy thuộc vào hoạt động của chúng. Trong chế độ trước, năng lượng động học (KE) được truyền trực tiếp vào mẫu bột thông qua các trục (bao gồm máy nghiền attritor, máy nghiền trục lăn và máy nghiền chảo), và trong chế độ sau, ban đầu, KE được truyền vào thân máy nghiền và sau đó được truyền đến các bi và mẫu được nạp thông qua ma sát. Ví dụ về chế độ gián tiếp bao gồm máy nghiền hành tinh, máy nghiền lật và máy nghiền rung. Theo tài liệu, rõ ràng là năng lượng riêng cung cấp cho lượng bột nạp vào máy nghiền có thể được đánh giá định mức theo thứ tự là máy nghiền hành tinh > rung > attritor > máy nghiền lật [ 30 ].
2.3. Dựa trên khả năng thấm ướt
Dựa trên khả năng thấm ướt, máy nghiền bi được phân loại thành máy nghiền khô và máy nghiền ướt. Trong máy nghiền bi ướt, một môi trường hoạt động bề mặt được đưa vào để ức chế sự hình thành các tập hợp trong khi máy nghiền khô không có dung môi và sự mài mòn các hạt xảy ra thông qua ma sát bột với bột. Bi khô là phương pháp thông thường được áp dụng để tổng hợp vật liệu composite nền ống nano cacbon nhằm kiểm soát chiều dài của ống, tạo ra lớp phủ ổn định với các tương tác bề mặt mạnh [ 31 , 32 , 33 ]. Từ các nghiên cứu trước đây, rõ ràng là nghiền ướt là phương pháp hiệu quả để phân tán đồng nhất các hạt gốm [ 34 ]. Zhang Z. và cộng sự đã đưa thành công nước cấu trúc vào cực âm của nanocomposite MnO 2 / Graphite cho pin ion kẽm, giúp giảm tương tác tĩnh điện thúc đẩy sự khuếch tán của các ion kẽm [ 35 ].
2.4. Nghiền hỗ trợ Plasma (P-Milling)
Ngày nay, trong quá trình nghiền bi, người ta áp dụng trường năng lượng từ, siêu âm, điện và nhiệt độ. Công nghệ nghiền hỗ trợ plasma, được gọi là nghiền – p, liên quan đến việc đưa plasma phóng điện rào cản điện môi vào quá trình nghiền để cải thiện hiệu suất nghiền, công suất và khả năng kiểm soát quy trình. Điều này liên quan đến tác động đồng thời của quá trình gia nhiệt bằng plasma và tác động dẫn đến nghiền bi để xử lý vật liệu. Plasma được coi là trạng thái thứ tư của vật chất và bao gồm các ion dương, hạt trung tính, electron và các gốc tự do. Năng lượng cao mà các hạt và ion này sở hữu có thể tương tác hiệu quả với vật liệu. Hơn nữa, nghiền – p dẫn đến sự hình thành các vết nứt, phân hủy hóa học và kết tinh lại trên vật liệu dẫn đến sự hình thành diện tích bề mặt tăng lên và các khuyết tật khối khác nhau so với nghiền bi thông thường. Do đó, chúng trở nên hấp dẫn hơn trong quá trình xử lý vật liệu. Do đó, các kỹ thuật nghiền hỗ trợ plasma đã nhận được sự quan tâm nghiên cứu đáng kể và được khám phá để tổng hợp vật liệu điện cực, vật liệu graphene, vật liệu bôi trơn, vật liệu gốm kim loại và vật liệu lưu trữ hydro [ 36 ].
Tiến trình nghiền – p làm tăng hiệu suất tổng hợp bột nano nhôm nitrua (AlN) và giảm đáng kể nhiệt độ tiền chất [ 37 ]. Tác động của tiền chất Al 2 O 3 và Al 2 O 3 /C lên quá trình tổng hợp bột nano AlN đã được nghiên cứu. So với nghiền thông thường (nghiền – c), nghiền – p làm giảm nhiệt độ nung do hiệu ứng hiệp đồng giữa quá trình gia nhiệt nhanh bằng plasma và ứng suất va đập của quá trình nghiền, do đó cải thiện hiệu suất tổng hợp.
Sun và cộng sự đã chế tạo nanocomposite silicon/graphene nano làm vật liệu anot bằng cách nhúng nano silicon vào graphene sử dụng phương pháp nghiền – p [ 38 ]. Con đường này chuyển đổi graphite thành các tấm graphene nano với sự tích hợp của nano silicon trong graphene hình thành tại chỗ. Hai mươi giờ nghiền – p nanocomposite silicon/graphene nano tạo ra một cấu trúc độc đáo với sự phân bố đồng nhất của nano silicon cùng với các không gian trống kích thước nano dồi dào trong composite tạo ra độ dẫn điện và hiệu suất chu kỳ được cải thiện. Trong một nghiên cứu khác, hiệu suất lưu trữ lithium của MgB 2 đã được nghiên cứu [ 39 ]. Một composite bao gồm MgB 2 /graphite giãn nở / TiO 2 được chế tạo bằng cách nghiền – p trong khoảng 20 giờ và vật liệu composite thu được thể hiện khả năng phóng điện là 305,5 mA hg −1 , ngay cả sau 100 chu kỳ. Một con đường dễ dàng để tổng hợp các hạt nano germani được bọc bằng một vài lớp graphene bằng phương pháp nghiền bi hỗ trợ plasma cho các ứng dụng anot được trình bày [ 40 ]. Vật liệu tiền thân được sử dụng là bột germani cấp thương mại và than chì tự nhiên. Các điện cực được chế tạo bằng vật liệu nanocomposite germani/graphene cho thấy độ dẫn điện tốt hơn, tổn thất ban đầu thấp và khả năng tuần hoàn tốt hơn so với quy trình nghiền thông thường.
Mặc dù quá trình nghiền hỗ trợ plasma được báo cáo là có một số lợi thế, nhưng vẫn còn nhiều chỗ để thảo luận và cải tiến. Do tính phức tạp và bản chất không cân bằng nhiệt của plasma, rất khó để theo dõi/đo lường các hạt hoạt động, chẳng hạn như các ion và gốc tự do, có trong plasma và cách chúng ảnh hưởng đến các đặc tính của vật liệu. Thứ hai, tác động của plasma đối với sự hình thành bất kỳ sản phẩm trung gian nào trong quá trình nghiền và tác động của chúng đối với các đặc tính cơ học-hóa học của vật liệu vẫn chưa được nghiên cứu.
2.5. Nghiền bi hỗ trợ vi sóng
Nghiền bi rắn-lỏng là nền tảng của nghiền bi hỗ trợ vi sóng, sử dụng máy nghiền bi bên trong lò vi sóng ( Hình 3 ). Do hiệu ứng vi sóng độc đáo, quá trình gia nhiệt bằng vi sóng có thể đẩy nhanh các phản ứng hóa học và nghiền bi năng lượng cao có thể ngăn chặn thành công sự phát triển của hạt và làm sạch các hạt tinh thể. Dung môi được sử dụng là nước khử ion, giúp giảm thời gian phản ứng và tránh sử dụng một lượng lớn dung môi hữu cơ và sẽ có ít tác động tiêu cực nhất đến môi trường. Do đó, rõ ràng là có thể giảm chi phí sản xuất chất hấp phụ.
Không sử dụng môi trường bảo vệ, quá trình thiêu kết bằng vi sóng ở công suất nghiền 600 W đã thành công trong việc tổng hợp nanocomposite Fe-Al 2 O 3 trong 15 phút [ 41 ]. Các phát hiện chứng minh rằng trong quá trình nghiền bi hỗ trợ bằng vi sóng, vòng epoxy mở ra và các phân tử nhựa epoxy được ghép vào bề mặt của các hạt nanotitanium hydride (TiH 2 ), cải thiện khả năng tương thích giữa các hạt nano và nhựa epoxy [ 42 ]. Quá trình xử lý vật liệu composite hợp kim nhôm gia cường nano bao gồm việc kết hợp nano alumina bằng cách sử dụng phương pháp nghiền, sau đó là xử lý nhiệt với sự hỗ trợ của vi sóng. Việc bổ sung nano alumina vào bề mặt hạt làm tăng năng lượng hoạt hóa tại bề mặt hạt, gây ra sự hình thành hạt đồng nhất, tạo ra cấu trúc vi mô siêu mịn và cải thiện đáng kể các tính chất cơ học của vật liệu nanocomposite chế tạo, chẳng hạn như độ cứng và độ bền vi mô [ 43 ]. Chuẩn bị nanocomposite vanadi và crom carbide và hợp kim của chúng bằng kỹ thuật mới về gia nhiệt vi sóng tại chỗ. Nanocomposite được sử dụng để ngăn chặn sự phát triển của hạt trong cacbua vonfram xi măng ở trạng thái đã chuẩn bị. Có thể sản xuất nanocomposite phân tán tốt với đường kính trung bình khoảng 30 nm ở nhiệt độ thấp hơn. Cấu trúc vi mô và đặc điểm của hợp kim bị ảnh hưởng đáng kể bởi nanocomposite tổng hợp [ 44 ].
2.6. Nghiền phóng điện
Nghiền thông thường trong thời gian dài trong môi trường trơ thường dẫn đến sự phát triển của các tập hợp bột xốp với kích thước hạt nhỏ vô định hình hoặc không đều tạo nên từng thành phần nano tinh thể của hạt sau khi nghiền trong thời gian dài. Quá trình kết tụ được cho là kết quả của sự biến dạng, gãy và hàn nguội lặp đi lặp lại của các thành phần. Trong quá trình nghiền, các hạt bột bị biến dạng và gãy liên tục, bắt đầu các quá trình rắn-rắn, rắn-lỏng và rắn-khí. Phản ứng vật liệu trong môi trường khí với phóng điện là một phương pháp tổng hợp và xử lý vật liệu khác. Trong khi nghiền, việc sử dụng xung điện cao áp, dòng điện thấp có thể dẫn đến các phản ứng nhanh hơn cũng như các con đường tổng hợp và xử lý mới. Nghiền bằng tia lửa điện/xả điện, trái ngược với nghiền truyền thống, được phát hiện là nguyên nhân hình thành bột vô định hình với chủ yếu là các hạt đơn lẻ, có kích thước dưới micron. Cấu trúc của từng hạt dao động từ các hạt nóng chảy lại đến các hạt dưới micron và có hình dạng không đều, dựa trên sự lựa chọn biên độ rung được thực hiện trong quá trình phóng điện. Biên độ rung lớn và nhiều loại hạt hơn được tạo ra với năng lượng đầu vào tăng dần. Chúng bao gồm các hạt có kích thước nano được hình thành dưới dạng khói và được thu thập trong quá trình nghiền xả dưới dòng khí argon. Chúng cũng chứa các hạt dưới micron, các hạt nóng chảy lại và các chất kết tụ hàn.
Các khe hở siêu nhỏ giữa các bi chuyển động và/hoặc rung, và giữa các bi và thành buồng nghiền, xảy ra trong quá trình nghiền. Các khe hở siêu nhỏ này có thể gây ra phóng điện hồ quang hoặc phóng điện chủ yếu là loại phóng điện phát sáng. Người ta phát hiện ra rằng nghiền phóng điện tia lửa thúc đẩy gãy nhanh, kết tinh lại, khử khoáng và phản ứng rắn-rắn, trong khi nghiền phóng điện phát sáng thúc đẩy tương tác rắn-khí [ 45 ]. Các phát hiện chứng minh rằng phương pháp này cải thiện đáng kể quá trình nghiền truyền thống về độ nhám bề mặt [ 46 ].
2.7. Nghiền bi cảm ứng từ trường
Nghiền bi là một phương pháp đơn giản và tiện lợi để chế tạo bột, hợp kim và vật liệu composite. Kỹ thuật này tạo ra các sản phẩm có kích thước hạt và kích thước hạt rất mịn. Các hạt từ tính dị hướng với cấu trúc hạt cỡ nano có thể được chế tạo bằng cách nghiền bi dưới từ trường [ 47 ]. Kết quả đặc tính từ tính và cấu trúc của các hạt có kích thước dưới micron thu được bằng cách nghiền bi trong môi trường từ trường cho thấy tính dị hướng từ mạnh. Sm2Co17 được coi là khối xây dựng cho nam châm vĩnh cửu hiệu suất cao trong tương lai. Các mảnh nano Sm2Co17 dị dị hướng có tỷ lệ khung hình cao và độ dày hàng chục nanomet đã được tổng hợp khi có heptan và axit oleic bằng phương pháp nghiền bi năng lượng cao do từ trường tạo ra [ 48 ].
Ứng dụng của từ trường lên hình thái, cấu trúc và tính chất từ của hợp kim TbFe 2 nghiền bi đã được nghiên cứu [ 49 ]. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng tốc độ giảm kích thước hạt khi có từ trường cao hơn so với nghiền bi đơn giản. Hơn nữa, lực kháng từ của các hạt hỗ trợ từ trường (từ tính) cao tới 6500 Oe trong khi chỉ là 3850 Oe khi không có từ trường.
Hợp kim dạng bột của NdFeB và SmCo được sản xuất trong máy nghiền bi được đặt trong từ trường đồng nhất [ 50 ]. Thời gian nghiền là 100 giờ và lấy mẫu sau mỗi 25 giờ nghiền. Kích thước hạt của hợp kim bột là ~100 nm (sau 100 giờ nghiền) và kích thước hạt của chúng <20 nm. Tỷ lệ từ dư của hợp kim nghiền trong từ trường cao hơn so với hợp kim được chuẩn bị trong trường hợp không có từ trường. Hơn nữa, rõ ràng từ các đỉnh XRD rằng vật liệu được chuẩn bị bằng cách nghiền bi khi có từ trường có sự liên kết tốt hơn so với vật liệu được tạo ra bằng cách nghiền bi thông thường.
2.8. Nghiền siêu âm
Hợp kim cơ học bằng phương pháp nghiền siêu âm mang lại lợi ích kết hợp các ưu điểm của các quy trình siêu âm, cơ học và xâm thực trên vật liệu dạng bột dẫn đến các phản ứng khuếch tán, truyền khối và pha rắn [ 51 ]. Trong kỹ thuật này, quy trình xâm thực đóng vai trò quan trọng trong kích thước hạt của bột kim loại hoặc hợp kim. So với phương pháp nghiền thông thường trong máy nghiền bi hành tinh, có thể tạo ra hợp kim giả từ các thành phần không trộn lẫn, bắt đầu các chuyển đổi pha và phản ứng thay thế và xen kẽ trong thời gian ngắn hơn nhiều bằng phương pháp nghiền hỗ trợ siêu âm. Sơ đồ minh họa của một máy nghiền bi siêu âm thông thường được thể hiện trong Hình 4 .
Một tổng hợp đơn giản, kinh tế và thân thiện với môi trường của các hạt nano ferit mangan (MnFe 2 O 4 ) với kích thước hạt trung bình là 20 nm mà không cần nung (nhiệt độ thấp ≤ 100 °C) bằng phương pháp nghiền bi hỗ trợ sóng siêu âm đã được báo cáo [ 52 ]. Các bi sắt có đường kính 1,0–1,5 mm đã được sử dụng để nghiền. Công nghệ nghiền bi siêu âm đã được sử dụng để tổng hợp các vật liệu 2D lớn, siêu mỏng: h-BN, graphene, MoS 2 , WS 2 và BCN. Kích thước dao động từ 1 đến 20 µm, độ dày ~ 1–3 nm và năng suất trên 20% [ 53 ].
Jiang và cộng sự đã nghiên cứu khả năng phân tán của các huyền phù nano La2O3 được chế tạo bằng bốn phương pháp phân tán, cụ thể là nghiền bi, siêu âm, siêu âm tiếp theo là nghiền bi và nghiền bi tiếp theo là siêu âm [ 54 ]. Các tác giả tuyên bố rằng khả năng phân tán của các huyền phù nano La2O3 vượt trội hơn ở phương pháp siêu âm tiếp theo là nghiền bi. Thông qua con đường này, sự kết tụ thứ cấp của các hạt nano có thể được giảm thiểu và các kết tụ hình thành nếu có có thể được tách kết tụ. Họ đã đánh giá độ ổn định của sự phân tán thông qua phân tích kích thước hạt (DLS), thế zeta, thử nghiệm lắng đọng và kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM). Gần đây, graphene biến tính axit oleic đã được phân tán trong dầu bằng phương pháp nghiền bi hỗ trợ siêu âm và được làm đặc bằng mỡ bôi trơn [ 55 ]. Mỡ bôi trơn biến tính graphene thể hiện khả năng chống ăn mòn và các đặc tính ma sát được cải thiện. Cơ chế bôi trơn và cơ chế chống ăn mòn cũng đã được thảo luận.
Nghiên cứu về quá trình nghiền bi hỗ trợ siêu âm để phân hủy Congo red (thuốc nhuộm azo) trong nước thải [ 56 ]. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng quá trình tạo bọt siêu âm và hóa học cơ học để phân hủy thuốc nhuộm. Hiệu ứng của sắt hóa trị bằng không làm tăng đáng kể nồng độ gốc hydroxyl. Bằng cách phản ứng với nano sắt, quá trình oxy hóa gốc hydroxyl được tăng tốc và quá trình phân hủy thuốc nhuộm đạt 99% trong vòng 2 phút. Hầu hết các chất hữu cơ được chuyển đổi thành khoáng chất và tỷ lệ loại bỏ tổng cacbon (TOC) đạt 80% trong vòng 10 phút
2.9. Nghiền bi hỗ trợ nhiệt độ tại chỗ (bên trong) và/hoặc ngoài chỗ (bên ngoài)
Những thay đổi nhiệt trong quá trình nghiền bi thường ảnh hưởng đến độ khuếch tán và nồng độ khuyết tật có thể tác động trực tiếp đến quá trình hình thành và chuyển đổi pha [ 57 ]. Do đó, nhiệt độ cao hơn dẫn đến các pha có độ linh động nguyên tử cao hơn trong hợp kim liên kim loại, trong khi ở nhiệt độ thấp hơn, sự hình thành pha vô định hình hoặc nanotinh thể là điều không thể tránh khỏi [ 58 ]. Nhiệt độ vĩ mô phát triển trong quá trình nghiền bi đã được đo bằng thực nghiệm. Davis et al. [ 59 ] và McDermott et al. [ 60 ] đã báo cáo nhiệt độ tăng 40–50 °C trong máy nghiền bi spex; tuy nhiên, Kimura et al. [ 61 ] và Cabanas-Moreno et al. [ 62 ] đã đo phạm vi nhiệt độ lần lượt là 172–215 °C trong máy nghiền bi attritor sử dụng cảm biến SiC và kim cương. Nhìn chung, các biến đổi nhiệt độ vĩ mô của máy nghiền bi là thấp và nhạy cảm với loại và thiết kế nghiền bi [ 63 , 64 ]. Tuy nhiên, nhiệt độ vi mô của bột nghiền khá cao do tác động năng lượng cao gây ra hiện tượng vô định hình, nóng chảy cục bộ và đông đặc nhanh [ 65 , 66 ]. Những nhiệt độ vi mô này đã được suy ra gián tiếp thông qua các nghiên cứu về cơ chế mô hình hóa, cũng như các đặc điểm lý hóa học, chẳng hạn như độ cứng vi mô, kích thước tinh thể, thông tin về cấu trúc và vi cấu trúc của các thành phần nghiền. Các tính chất cơ học của hợp kim đồng dạng khối và nano tinh thể bằng cách nghiền bi ở nhiệt độ phòng và ở nhiệt độ thấp hơn (nghiền lạnh) đã được Bahmanpour và cộng sự chứng minh [ 67 ]. Theo nghiên cứu này, độ cứng vi mô giảm khoảng 200 MPa khi hợp kim Zn Cu-10 wt.% mẫu được xử lý và chuyển từ nhiệt độ lạnh sang nhiệt độ phòng ( Hình 5 a), và quan sát này có tương quan với sự gia tăng kích thước tinh thể như thể hiện trong Hình 5 b. Do đó, rõ ràng là sự gia tăng nhiệt độ gây ra tính di động cao hơn của biến dạng đã được tạo ra bởi quá trình nghiền lạnh.
Hình 5. ( a ) Độ cứng vi mô so với thời gian nghiền và ( b ) kích thước tinh thể so với thời gian nghiền đối với hợp kim Cu-10 wt.% Zn được nghiền đông lạnh trong 4 giờ ở 77 K sau đó nghiền ở nhiệt độ phòng trong 6 giờ
Một nghiên cứu rất gần đây về xử lý trước cellulose bằng phương pháp nghiền bi hỗ trợ bằng nitơ lỏng, do đó tăng cường chuyển đổi cấu trúc cellulose thành hóa chất và nhiên liệu, cụ thể là glucose và axit formic [ 67 ]. Hiệu quả trong phản ứng thủy phân cellulose thành glucose và axit formic trong hai thí nghiệm riêng biệt đã chứng minh rằng độ kết tinh và trọng lượng phân tử của cellulose có thể được giảm dễ dàng bằng cách sử dụng phương pháp nghiền bi hỗ trợ nhiệt độ bằng nitơ lỏng so với phương pháp nghiền bi đơn giản [ 68 ]. Trong một nghiên cứu khác, quá trình nitrat hóa bột Fe đã được kiểm tra ở ba nhiệt độ khác nhau, nhiệt độ nitơ lỏng, nhiệt độ phòng và ở 200 °C bằng cách sử dụng hai môi trường khí khác nhau, cụ thể là nitơ và amoniac [ 68 ]. Dựa trên thí nghiệm trên, người ta kết luận rằng sự hình thành nitrua sắt tối ưu khi bột Fe được đưa vào môi trường khí amoniac và được xử lý ở nhiệt độ phòng và thấp hơn (nitơ lỏng). Sau khi thấy được lợi thế của phương pháp nghiền bi hỗ trợ nhiệt độ bằng nitơ lỏng, một nghiên cứu mới sử dụng phương pháp nghiền siêu lạnh đã được đưa ra bằng cách nghiền cơ học loại thuốc ít tan trong nước bằng các hạt đá khô trong môi trường nitơ lỏng trong máy nghiền bi cho thấy khả năng hòa tan được cải thiện với ít tác động gây ô nhiễm hơn [ 69 ]. Về lưu trữ hydro để tạo thành hydride kim loại nhị phân/ba thành phần (MgH 2 /Mg 2 FeH 6 ), phương pháp nghiền bi lạnh đã được chứng minh có động học hấp thụ hydro cao hơn do các quy trình tăng trưởng được kiểm soát giao diện hiệu quả [ 70 ].
3. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu nanocomposite hợp kim cơ học
Thời gian nghiền, tốc độ quay, năng lượng nghiền, kích thước bi và hàm lượng vật liệu gia cố ảnh hưởng đến tính đồng nhất, cấu trúc vi mô và các tính chất khác của vật liệu nanocomposite hợp kim cơ học [ 71 , 72 ].
3.1. Thời gian nghiền
Thời gian nghiền là một thông số quan trọng trong quá trình nghiền bi trong quá trình hình thành pha, phân bố vi cấu trúc và phân bố đồng nhất các thành phần hoặc nguyên liệu. Nó cũng ảnh hưởng đến các tính chất lý hóa-cơ học của vật liệu composite. Kích thước của vật liệu nano (vật liệu gia cường) giảm khi thời gian nghiền tăng. Sự biến đổi kích thước hạt và hình thái của vật liệu nanocomposite theo thời gian nghiền được mô tả trong Bảng 1. Biến dạng dẻo xảy ra đối với Mg 20 SiC với quá trình nghiền kéo dài, dẫn đến các khuyết tật tinh thể và khuyết tật trật khớp [ 73 ]. Kích thước trung bình của tinh thể đối với vật liệu Mg giảm và bột trở nên mịn hơn và cân bằng trục khi thời gian nghiền tăng lên. Hơn nữa, không có thay đổi pha nào xảy ra trong quá trình nghiền [ 71 ].
Bảng 1. Sự phụ thuộc về hình thái và kích thước hạt của vật liệu composite theo thời gian nghiền.
| Vật liệu | Thời gian | Kích thước hạt | Hình thái học |
| Mg20SiC [ 71 , 73 ] | 0 | 45,56 (±9,20) μm | Hình cầu |
| 1 giờ | 42,18 (±8,78) μm | Dẹt/ dạng tấm | |
| 5 giờ | 36,81 (±8,51) μm | Dẹt/ dạng tấm | |
| 10 giờ | 39,98 (±9,15) μm | kết tụ và tầng | |
| 15 giờ | 21,93 (±6,18) μm | Tầng tầng | |
| 20 giờ | 13,84 (±5,3) μm | đều trục và đều đặn | |
| Graphen [ 74 ] | 90 phút | 4 lớp | Hình đĩa |
| 95 phút | 2 lớp | Hình đĩa | |
| 100 phút | 1 lớp (lớp đơn) | hạt |
Theo thời gian nghiền, graphene chuyển từ dạng tấm sang dạng hạt. Vật liệu gia cố được bảo vệ vì hạt được nhúng vào giao diện của ma trận và do đó, không có biến dạng nào nữa được đưa vào vật liệu nano. Tuy nhiên, điều này hỗ trợ đáng kể cho sự phân bố đồng đều của vật liệu nano trong pha ma trận. Khi thời gian nghiền tăng lên, độ bền cơ học và độ bền uốn tăng lên. Với thời gian nghiền ngắn hơn, có khả năng kết tụ khi thời gian tăng lên, khả năng kết tụ yếu đi và do đó, có thể quan sát thấy tính chất cơ học được cải thiện [ 74 ].
Các nghiên cứu cho thấy rằng các tính chất từ tính cũng tăng theo thời gian nghiền. Như thể hiện trong Hình 6 , nanocomposite Co/Al 2 O 3 ban đầu cho thấy tính sắt từ yếu, trong khi sau khi tăng thời gian nghiền lên 12 giờ, nó cho thấy từ hóa bão hòa mạnh là 118 emu/g [ 75 ].
Hình 6. Vòng trễ từ của nanocomposite Co/Al 2 O 3 sau thời gian nghiền (0 giờ (S0), 1 giờ (S1), 2 giờ (S2), 6 giờ (S6) và 12 giờ (S12))
3.2. Tốc độ nghiền và năng lượng
Tốc độ nghiền ảnh hưởng đáng kể đến kích thước hạt và kích thước ranh giới hạt. Khi tốc độ nghiền tăng, kích thước của các hạt giảm theo [ 76 ]. Người ta thấy rằng các hạt nano CNT có liên kết giao diện yếu với bề mặt Cu ở tốc độ quay thấp [ 77 ]. Kích thước tinh thể của các hạt giảm sau đó khi tốc độ nghiền tăng ( Hình 7 ). Các khuyết tật bề mặt và độ nhám là tối thiểu ở tốc độ nghiền thấp, trong khi tốc độ nghiền cao là do quá trình cứng biến dạng và làm mềm nhiệt cao hơn [ 78 ].
Tương tự, năng lượng nghiền cao là cần thiết để phân phối tốt và phân tán nanofiller vào ma trận. Nghiền năng lượng cao thuộc tính làm giảm kích thước tinh thể trong quá trình nghiền khô, trong khi nghiền ướt không cho thấy nhiều hiệu ứng do sự hiện diện của dung môi [ 79 ].
Hình 7. Ảnh hưởng của tốc độ nghiền đến kích thước tinh thể
3.3. Kích thước bi nghiền
Kích thước của các viên bi dùng để nghiền có tác động lớn hơn đến kích thước tinh thể, năng suất sản xuất và mức tiêu thụ năng lượng. Hiệu quả nghiền tăng lên với các viên bi có đường kính nhỏ hơn (kích thước 10 mm hoặc nhỏ hơn) ( Hình 8 ); điểm tiếp xúc giữa viên bi và phương tiện nghiền tăng lên, dẫn đến số lần va chạm cao hơn và tạo ra lực cắt lớn hơn. Lực này tăng theo thời gian [ 81 ]. Ngược lại, khi kích thước tăng, trọng lượng của viên bi cũng tăng, giúp truyền động năng lớn hơn. Động năng có tác động trực tiếp đến kích thước viên bi. Khi kích thước viên bi tăng, lượng không gian trống cũng tăng theo cấp số nhân; điều này có thể được giải quyết bằng cách kết hợp kích thước viên bi hỗn hợp [ 82 ].
3.4. Nồng độ vật liệu nano
Nồng độ vật liệu gia cường cao hơn dẫn đến biến dạng cao hơn và làm cứng vi mô của pha ma trận. Điều này đẩy nhanh quá trình nứt vỡ và hàn và thúc đẩy quá trình nghiền được hoàn thành trong thời gian ngắn hơn vì sự phát triển của hạt kim loại bị ức chế bởi các hạt nano [ 3 ]. Nếu hàm lượng vượt quá một lượng nhất định, điều đó sẽ gây ra sự cố cho hệ thống composite [ 83 ]. Độ cứng vi mô của Fe-MWCNT tăng lên tới 2 wt.% MWCNT, vượt quá mức này, độ cứng giảm. Độ dẫn điện của composite tăng lên 3 wt.% rồi giảm. Những hiệu ứng này là do sự kết tụ khiến MWCNT mở rộng, tạo ra con đường dài hơn để các electron đi qua, giữ lại các lỗ rỗng nhỏ và cũng làm giảm tỷ lệ khía cạnh của MWCNT khiến liên kết giữa vật chủ kim loại và MWCNT giảm [ 13 ].
3.5. Tỷ lệ giữa bột và bi nghiền
Tỷ lệ bi/bột là một thông số quan trọng và cơ bản của hoạt động nghiền. Tuy nhiên, các yếu tố khác không thể bị bỏ qua trong các quy trình nghiền bi năng lượng cao của vật liệu. P. Kuziora và cộng sự đã kiểm tra tác động của bi/bột (BPR) không đổi trên một vài mẫu bột MgH 2 đối với các đặc tính giải hấp hydro [ 84 ]. Các tác giả đã mô tả kết quả thú vị đối với các thông số cụ thể mà cùng một BPR không tạo ra cấu trúc vi mô tương tự, ngược lại, việc đổ đầy lọ là yếu tố bị ảnh hưởng nhiều nhất đối với sự thay đổi các đặc tính vật lý khác nhau. ZM Wu và cộng sự đã áp dụng mô hình BPR để tinh chỉnh cấu trúc vi mô của Vonfram [ 85 ]. Trong công trình này, các nhà nghiên cứu đã chế tạo các mẫu bằng cách thay đổi tỷ lệ bi/bột và so sánh chúng bằng các công cụ cấu trúc khác nhau. Phần thú vị của nghiên cứu là tỷ lệ bi/bột là 15:1 tác động nhiều hơn đến kích thước hạt so với BPR thấp hơn. Do đó, BPR cao hơn làm giảm kích thước hạt xuống chế độ nano.
3.6. Liều lượng năng lượng
Liều lượng năng lượng là một thông số quan trọng được thể hiện dưới dạng năng lượng truyền trên một đơn vị khối lượng bột thành phần nghiền [ 86 ]. Tất cả các yếu tố được đề cập ở trên trong Phần 2.1 , Phần 2.2 , Phần 2.3 , Phần 2.4 và Phần 2.5 thực sự có mối tương quan với liều lượng năng lượng dựa trên các thiết bị nghiền. Ví dụ, xét về tỷ lệ bi trên bột, điều đó có thể làm thay đổi cường độ năng lượng vì cường độ nghiền tỷ lệ thuận với động năng (E k ), số lượng bi (N) và tác động hoặc các cú đánh trên một đơn vị thời gian (F). Tương tự như vậy, liều lượng năng lượng là tích của cường độ năng lượng với thời gian nghiền thành một lượng bột vật liệu (P). Nhìn chung, liều lượng năng lượng được định lượng bằng cách hiểu các thông số nghiền khác nhau, chẳng hạn như vận tốc tác động, tần suất tác động của bi, tỷ lệ điện tích và tỷ lệ làm đầy lọ [ 86 ]. Gần đây, người ta đã báo cáo rằng liều năng lượng động học có thể được sử dụng làm thước đo thống nhất để so sánh các máy nghiền bi trong trường hợp khử trùng cơ học xúc tác của lignocellulose [ 87 ].
4. Tổng hợp và đặc điểm của các biến thể nghiền bi
4.1. Tổng hợp vật liệu nanocomposite kim loại
Va chạm bi-bột-bi là một yếu tố không thể phủ nhận chi phối quá trình hợp kim hóa cơ học. Ban đầu, các thành phần hóa học bị đập vỡ giữa các bi trong quá trình va chạm liên tục. Thứ hai, trình tự biến dạng và/hoặc gãy vỡ của vật liệu xảy ra quyết định cấu trúc của sản phẩm cuối cùng. Điều đáng chú ý là các quá trình cơ hóa học tổng thể phụ thuộc rất nhiều vào các đặc tính lý hóa của các thành phần hóa học cấu thành, trạng thái cân bằng pha và/hoặc giao diện của chúng và các đặc tính ứng suất-biến dạng trong quá trình nghiền kéo dài. Do đó, sản phẩm cuối cùng từ quy trình nghiền bi phụ thuộc vào sự hoán vị và kết hợp của các đặc tính khác nhau như dẻo-dẻo, dẻo-giòn và giòn-giòn. Như đã đề cập ở trên, các quá trình tuần tự hoặc song song liên quan đến quá trình nghiền cơ học hóa học là: (i) sự gia tăng nhiệt độ cục bộ gây ra hiệu ứng kết dính và/hoặc phân mảnh, (ii) biến dạng ở quy mô vi mô gây ra các khuyết tật và sai lệch trong thể tích tự do, (iii) biến dạng ở bề mặt do hiệu ứng xúc tác và (iv) tăng ứng suất lên bột trong khi nghiền do các biến đổi thủy tĩnh.
4.2. Tổng hợp vật liệu nanocomposite kim loại phi từ tính
Jargalsaikhan et al. [ 88 ] chế tạo nanocomposite Al/CNT bằng cách sử dụng phương pháp nghiền bi hành tinh sau đó thiêu kết. Sự phân tán của CNT trong Al và hành vi cơ học cũng như độ cứng của các nano cấu trúc composite đã được đánh giá. Quá trình nghiền được thực hiện ở tốc độ quay 100 và 150 vòng/phút trong 5 và 15 phút với tỷ lệ bi/bột là 10:1 bằng cách sử dụng bi zirconia. Sau đó, composite nghiền được nung ở 500 °C trong 5 giờ và được làm nguội ở nhiệt độ phòng. CNT được phân tán đồng nhất tốt vào bề mặt Al và tạo ra độ bền cơ học và độ cứng được tăng cường. Như đã chứng minh chắc chắn trong Hình 9 , độ cứng cơ học tăng ít nhất 40–60 giá trị HV đối với nanocomposite Al/CNT được nghiền bi khi so sánh với các mẫu Al chưa nghiền hoặc đã nghiền.
Fathy và các cộng sự [ 89 , 90 ] đã nhắm đến mục tiêu nghiên cứu tác động lên các tính chất của vật liệu nano ZrO 2 nghiền bi trong ma trận Cu. Bột Cu và ZrO 2 được nghiền bi ở tốc độ quay 250 vòng/phút và được hàn nguội và nung ở 950 °C trong 2 giờ. Độ cứng vi mô tăng lên tới 288%, cường độ nén tăng khi kích thước tinh thể giảm và độ dẫn điện giảm khi hàm lượng ZrO 2 cao hơn .
Zawrah et al. [ 91 ] nhúng các hạt Cu vào nanocomposite Al 2 O 3 bằng máy nghiền bi hành tinh. Chất kiểm soát quy trình được thêm vào để tránh kết tụ trong quá trình nghiền. Phân tán đồng đều Cu trên Al 2 O 3 thu được với độ bền gãy cao hơn. Các nghiên cứu này cho thấy nanocomposite giữa các vật liệu có bản sắc hóa học và vật lý rất khác nhau có thể được tổng hợp thành công bằng kỹ thuật nghiền bi.
4.3. Tổng hợp vật liệu nanocomposite từ tính
Nghiền bi năng lượng cao không làm tăng các tính chất bề mặt như diện tích bề mặt hoạt động, kích thước lỗ rỗng, thể tích lỗ rỗng và mật độ khối, cũng như các tính chất từ tính của vật liệu nanocomposite. Tính chất từ tính của nanocomposite phụ thuộc vào sự ghép nối của pha mềm và pha cứng của vật liệu. Nó không chỉ phụ thuộc vào các tính chất nội tại này mà còn phụ thuộc vào cấu trúc vi mô và kích thước hạt. Điều này giúp đạt được độ từ dư và lực kháng từ cao. Các hệ thống đa ferroic cũng có thể thu được bằng cách nghiền cơ hóa học [ 92 ]. Phương pháp nghiền bi năng lượng cao và thiêu kết plasma tia lửa đã được Zhuge và cộng sự sử dụng [ 93 ] để chế tạo nanocomposite từ tính SmCo 7 /α-Fe. Các mảnh nano α-Fe được trộn với các dải Sm 2 Co 7 và được nghiền năng lượng cao, sau đó được ép nóng bằng phương pháp thiêu kết plasma tia lửa. Để nghiên cứu tác động của trao đổi giữa các hạt trong các tính chất từ tính, pha cứng (SmCo 7 ) và pha mềm (SmCo 5 ) đã được so sánh và thấy rằng pha cứng cho thấy hiệu ứng ghép trao đổi tốt hơn vì nó làm tăng chiều dài trao đổi. Người ta thấy rằng việc gia nhiệt từ trường sau khi tạo bi năng lượng cao cải thiện độ từ dư và lực kháng từ của nam châm nanocomposite SmCo/α-Fe. Độ từ dư và lực kháng từ được cải thiện lần lượt là 17% và 23% [ 94 ]. SiO 2 , Fe 2 O 3 , NiO và ZnO đã được nghiền lại với nhau để tổng hợp nanocomposite NiZn ferit/SiO 2 ở tỷ lệ bi/bột là 10:1 và ở tốc độ 200 vòng/phút trong 1 đến 250 giờ, và các xử lý nhiệt đã được thực hiện để thu được nanocomposite có độ từ hóa bão hòa và lực kháng từ cao nhất [ 95 ]. NiZn Ferrite/SiO 2 có độ bền cao hơn ít nhất hai cấp so với các loại Ferrite nguyên bản.
Chen et al. [ 96 ] đã báo cáo việc chế tạo vật liệu nanocomposite từ tính SmCo 5 /α-Fe với nồng độ thay thế La/Ce khác nhau bằng phương pháp nghiền bi năng lượng cao sau đó nung ở nhiệt độ 450 °C đến 650 °C trong 30 phút. Tỷ lệ trọng lượng bột/bi là 1:25. Mẫu nhiễu xạ tia X (XRD) được sử dụng để ước tính cấu trúc pha của nam châm nanocomposite pha tạp La và Ce ở hàm lượng tạp chất và nhiệt độ ủ khác nhau ( Hình 10 ). Không có thay đổi nào trong pha cứng khi hàm lượng Ce tăng và nhiệt độ tăng cao trong nanocomposite từ tính, trong khi có sự thay đổi chuyển tiếp khi hàm lượng La cao hơn và nhiệt độ ủ. Tính chất từ tính được nghiên cứu bằng cách sử dụng từ kế mẫu rung. Trên thực tế, sự gia tăng tạp chất La hoặc Ce làm giảm hiệu suất từ hóa của vật liệu chủ, SmCo 5 /α-Fe. Vòng trễ ( Hình 11 ) thể hiện tính sắt từ mạnh đối với cả nanocomposite pha tạp Ce và La. Ngoài ra, hiệu suất từ tính được phát hiện cao hơn đối với nanocomposite pha tạp La, SmCo 5 /α-Fe so với nanocomposite từ tính pha tạp Ce.
Hình 11. Vòng trễ của nanocomposite từ tính SmCo 5 /α-Fe
4.4. Tổng hợp vật liệu nanocomposite polyme
Nghiền bi trong polyme giúp chuyển đổi hóa học nhiều polyme khối dưới tác động khuấy cơ học ngay cả khi không có dung môi. Phương pháp hợp kim cơ học phổ biến nhất là thông qua quy trình nghiền ướt, trong đó polyme được phân tán/hòa tan trong dung môi [ 97 ]. González-Benito và cộng sự [ 98 ] đã báo cáo về việc sản xuất nanocomposite sử dụng poly(vinylidene fluoride) (PVDF) bằng cách nghiền bi năng lượng cao và ép nóng sau đó. Quá trình nghiền được thực hiện trong điều kiện nhiệt độ cực thấp trong một giờ với các lần nghỉ ngắt quãng. Điều này cho phép phân tán đồng nhất bari titanat và MWCNT vào ma trận polyme, giúp tăng cường độ điện môi và giảm tổn thất điện môi của PVDF mà không ảnh hưởng đến các đặc tính áp điện. Tanna và cộng sự đã tổng hợp BaTiO 3 pha tạp Ca 2+ -Zr 4+ và kiểm tra tác động của quá trình nghiền cơ học năng lượng cao đối với hiện tượng trễ và hành vi điện môi của các vật liệu sắt điện này [ 99 ]. Các tác giả đã quan sát thấy những kết quả thú vị về vòng trễ PE và các thông số điện môi thông qua quá trình nghiền cơ học năng lượng cao trong nhiều khoảng thời gian khác nhau liên quan đến kích thước hạt của các mẫu được xử lý.
Wu et al. [ 100 ] đã phát triển một phương pháp in situ một nồi để tổng hợp vật liệu composite polyme/graphene với sự hỗ trợ của quá trình nghiền bi ướt và ép nóng. Dung dịch ghép poly (ethylene-co-vinyl acetate) maleic anhydride siêu âm và graphene được đưa vào quá trình nghiền bi trong 30 giờ ở tốc độ 300 vòng/phút. Nhiệt độ phân hủy của vật liệu nanocomposite polyme được phát hiện cao hơn nhiều.
Các sửa đổi vật lý và hóa học làm tăng các tính chất lý hóa của tinh bột bằng cách kiểm soát cấu trúc vi mô của nó [ 101 ]. Dai et al. [ 102 ] đã phát triển tinh thể nano tinh bột bằng cách xử lý hợp kim cơ học trước để ngăn tinh bột bị hư hỏng trong quá trình thủy phân. Tinh thể nano tinh bột đã được xử lý trước sau đó được thủy phân bằng axit sunfuric. Quá trình thủy phân mất ít thời gian hơn và tạo ra năng suất cao hơn theo thời gian nghiền, như thể hiện trong Hình 12 .
Trong một công trình của Yu et al. [ 103 ], boron nitride lục giác và dung dịch polydopamine được trộn bằng cách nghiền bi ở tốc độ 400 vòng/phút trong 24 giờ; thêm tinh thể nano cellulose để thu được độ dẫn nhiệt cao hơn như thể hiện trong Hình 13. Yang et al. [ 104 ] đã kiểm tra tương tác giao diện và các tính chất cơ học của vật liệu composite PBT/nano-Sb 2 O 3. Poly(butylene terephthalate) (PBT) và các chất phụ gia đầu tiên được phân tán bằng máy trộn quay tốc độ cao (HSR) trước khi đưa vào máy nghiền bi hành tinh và nghiền ở tốc độ 300 vòng/phút trong 6 giờ. Sự phân tán đồng nhất của chất độn nano trong polyme thu được bằng cách nghiền bi năng lượng cao (HEBM) so với máy trộn quay tốc độ cao như thể hiện trong Hình 14. Hơn nữa, nó thể hiện tương tác bề mặt tốt giúp cải thiện độ bền cơ học của vật liệu composite nano. Trong các nghiên cứu liên tiếp của Lie et al. [ 105 ], việc chuẩn bị vật liệu composite PBT/nano-Sb 2 O 3 bằng phương pháp nghiền bi năng lượng cao (ở tốc độ 400 vòng/phút trong 6 giờ) và quá trình trộn nóng chảy tiếp theo có thể quan sát thấy sự cải thiện về khả năng bắt lửa và các tính chất cơ học.
Hình 13. Độ dẫn nhiệt của vật liệu composite h-BN@PDA/CNC đã tách lớp và vật liệu composite h-BN/CNC
4.5. Vật liệu Nanocomposite gốm
Hannora và Ataya [ 22 ] đã chuẩn bị nanocomposite hydroxyapatite/titania bằng cách nghiền bi năng lượng cao sử dụng bi thép cứng trong 1 giờ. Sau đó, mẫu được ép lạnh và cố kết ở các nhiệt độ thiêu kết khác nhau và phân tích sự phân hủy và các thay đổi pha. Mẫu vật thu được cho thấy các biến dạng với ứng suất nén cao hơn.
Sharma và Dalvi [ 106 ] đã đề xuất một phương pháp mới để chế tạo vật liệu nanocomposite gốm thủy tinh LiTi 2 (PO 4 ) 3 sử dụng kỹ thuật hợp kim hóa cơ học. Đầu tiên, hỗn hợp bột được nghiền bi trong 6–18 giờ trong môi trường acetone ở tốc độ 400 vòng/phút và hợp kim hóa trong 1 giờ ở tốc độ 100 vòng/phút trước khi được ép thủy lực. Để đạt được điểm nóng chảy cao hơn, nó lại được nung nóng và làm nguội. Do đó, composite đã chế tạo thể hiện tính chất vận chuyển điện tử cao.”
5. Ứng dụng
Lưu trữ năng lượng
Các nguồn năng lượng thông thường đang cạn kiệt nhanh chóng và bên cạnh việc tạo ra một số vấn đề về môi trường như hiện tượng nóng lên toàn cầu, ô nhiễm không khí, mực nước biển dâng cao, tầng ôzôn mỏng đi, v.v., các nguồn năng lượng tái tạo, chẳng hạn như năng lượng mặt trời, thủy điện, năng lượng địa nhiệt, năng lượng đại dương, v.v., có thể giúp đáp ứng nhu cầu năng lượng của xã hội loài người. Tuy nhiên, tính biến động cao, tính không đều, tính bảo mật và các vấn đề về lưu trữ khiến việc thương mại hóa toàn cầu của chúng trở nên khó khăn. Để giải quyết những vấn đề này, các nhà nghiên cứu đề xuất các vật liệu chức năng mới để lưu trữ năng lượng hiệu quả, đáng tin cậy, tiết kiệm chi phí, thân thiện với môi trường và có sẵn dễ dàng để sử dụng lâu dài. Cho đến nay, nhiều vật liệu và thành phần, chẳng hạn như vật liệu nanocomposite, gốm sứ và composite gốc carbon, đã được thử nghiệm về mặt này. Pin lithium-ion và siêu tụ điện đã cho thấy triển vọng trong các thiết bị lưu trữ năng lượng trong các công nghệ hiện đại do mật độ năng lượng cao hơn, sạc nhanh hơn và tốc độ xả thấp hơn, tuổi thọ chu kỳ dài hơn và phạm vi nhiệt độ hoạt động rộng. Trong các thiết bị lưu trữ năng lượng này, vật liệu điện cực hoạt động đóng vai trò quan trọng vì chúng tham gia trực tiếp vào các phản ứng sạc-xả điện hóa.
Có nhiều kỹ thuật tổng hợp, chẳng hạn như phương pháp thủy nhiệt [ 107 , 108 ], phương pháp tổng hợp vi sóng [ 109 , 110 ], kỹ thuật lắng đọng hơi hóa học [ 111 , 112 ], v.v., đã được sử dụng để tổng hợp các vật liệu đã chứng minh khả năng lưu trữ năng lượng được tăng cường. Nghiền bi là một trong những kỹ thuật tổng hợp thuộc về lớp các quy trình cơ hóa học để tổng hợp các vật liệu có cấu trúc vi mô và nano. Sản xuất quy mô lớn là một trong những lợi thế chính của kỹ thuật này. Các vật liệu nghiền bi bao gồm nanocomposite kim loại, composite gốm, vật liệu gốc carbon, v.v., được xem xét đã chứng minh hiệu suất khả quan trong việc lưu trữ năng lượng, chủ yếu là pin ion kim loại như Li, Na, K và siêu tụ điện và một phần là vật liệu lưu trữ hydro, lưu trữ nhiệt điện, v.v.
Pin nhiên liệu như thiết bị chuyển đổi năng lượng và pin hoặc siêu tụ điện như thiết bị lưu trữ năng lượng hiện đang là những lĩnh vực mũi nhọn trong lĩnh vực nghiên cứu năng lượng. Các lựa chọn sản xuất hydro và lưu trữ hydro cũng đang nổi lên như những lĩnh vực liên quan. Pin nhiên liệu và pin có một số thách thức nhất định về động học phản ứng hoặc mục tiêu mật độ năng lượng và công suất cần đạt được, trong khi trong lưu trữ hydro, khả năng hấp thụ cũng như tốc độ hấp phụ/tách hấp phụ là vấn đề quan trọng. Trong trường hợp pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEM), phản ứng giải phóng oxy và khử oxy (ORR) phải là những phản ứng hiệu quả để có hiệu suất cạnh tranh của pin. Những phản ứng này được điều chỉnh bởi sự tương tác giữa các vật liệu nano của điện cực và chất điện phân (hoặc khí) và do đó, các tương tác giao diện trở nên rất quan trọng. Theo quan điểm này, các quá trình chuyển đổi năng lượng và lưu trữ năng lượng phụ thuộc rất nhiều vào loại vật liệu, kích thước vật liệu, pha của vật liệu, các kết nối, kênh dẫn, cường độ liên kết, môi trường liên kết, v.v., vì chúng thúc đẩy hoặc phá vỡ dòng điện tích theo cách này hay cách khác. Do đó, các kỹ thuật được sử dụng để tổng hợp vật liệu nano ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của thiết bị. Một trong những đặc tính riêng biệt của kỹ thuật nghiền bi là quá trình chuyển đổi chậm vật liệu đầu vào thành vật liệu nano cuối cùng theo phương pháp tiếp cận từ trên xuống. Trong phương pháp này, các pha thay đổi diễn ra dần dần và tại các vị trí vật lý khác nhau của mẫu. Điều này vốn tạo ra một loạt các vị trí khuyết tật trong vật liệu nano. Các vị trí khuyết tật có thể hoạt động như các vị trí có mật độ điện tích electron tăng hoặc mật độ điện tích thấp hơn và trong quá trình này ảnh hưởng đến quá trình truyền điện tích. Một số báo cáo trong đó nghiền bi được sử dụng để lưu trữ/chuyển đổi năng lượng hiện được thảo luận ngắn gọn. Hoạt động xúc tác hướng đến quá trình khử oxy tăng đáng kể đã được quan sát thấy trong vật liệu nanocomposite GO/α-MnO 2 hợp kim cơ học do bản chất ổn định về mặt hóa học và linh hoạt về mặt cơ học của tấm nano GO và hình thái xốp của dây nano α-MnO 2 [ 113 ]. Chất xúc tác catốt có ảnh hưởng đáng kể đến mật độ công suất, khả năng tuần hoàn và hiệu suất năng lượng của pin. Vật liệu composite thoáng khí của tấm nano làm ma trận và dây nano làm cấu trúc vận chuyển được coi là vật liệu đầy hứa hẹn cho quá trình vận chuyển điện tích Li + và điện tử cực nhanh. Hình thái của chất xúc tác catốt đóng vai trò chính trong việc tăng cường dung lượng và khả năng đảo ngược của pin Li-O 2. Hiệu suất điện hóa tuyệt vời đã được quan sát thấy trong vật liệu nanocomposite SnSe/carbon được nghiền bi anốt trong pin ion natri và lithium-ion [ 114 ]. Vật liệu anot nanocomposite SnS 2 –carbon tạo điều kiện cho một lượng lớn Li +các vị trí lưu trữ ion, mật độ dòng điện cao và khả năng khuếch tán ion nhanh hơn đã được phát triển bằng quy trình nghiền bi mặt [ 115 ]. Bảng 2 tóm tắt một số nghiên cứu gần đây đã sử dụng kỹ thuật nghiền bi để xử lý vật liệu và ứng dụng tiếp theo của chúng trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng.
Bảng 2. Vật liệu được xử lý bằng phương pháp nghiền bi cho thấy hiệu suất tốt hơn khi làm vật liệu lưu trữ năng lượng.
| Loại nghiền bi | Đặc điểm kỹ thuật | Pin/Siêu tụ điện | Điểm nổi bật | Tham khảo |
| Máy nghiền bi hành tinh | Mg/ MgH2 có kích thước nano thu được bằng cách nghiền bi magiê và benzen trong nồi nghiền phủ zirconia trong 0–3 giờ | Lưu trữ hydro | ⮚
MgH 2 và bi benzen nghiền cùng nhau làm tăng khả năng lưu trữ hydro và khả năng đảo ngược ⮚ Mẫu được pha tạp Al (ở mức 1%) hoặc pha tạp Ni (ở mức 2,9%) với MgH 2 thể hiện khả năng lưu trữ hydro ~60% |
[ 116 ] |
| Nghiền hỗ trợ bằng plasma phóng điện (Máy nghiền bi loại rung) |
Bằng cách sử dụng bột Si và than chì có kích thước nano theo tỷ lệ khối lượng 30:70 và tỷ lệ bi/bột là 50:1 trong quá trình nghiền – P trong thời gian 5, 10 và 20 giờ trong môi trường khí argon nguyên chất để tạo thành vật liệu composite nano Si và graphene. | Pin lithium-ion | ⮚
Hợp chất nano Si và tấm graphene nano bằng phương pháp nghiền -P trong thời gian 20 giờ cho thấy khả năng đảo ngược ổn định 976 mA h/g ở mức 50 mA/g ⮚ Hiệu suất dẫn điện và độ ổn định của pin lithium-ion được cải thiện nhờ các tấm graphene nano có các lỗ trống tự do ở cấp độ nano, trên đó các hạt nano Si được nhúng đồng nhất. |
[ 38 ] |
| Máy nghiền bi hành tinh | 180 viên bi cùng kích thước và cùng vật liệu dùng để nghiền florua nhị phân (BaF2 và SnF2 ) . Tỷ lệ bi:bột là 17:1 được lấy trong thời gian nghiền là 10 giờ | Lưu trữ điện hóa | ⮚
Khoảng 0,7 mS/cm thay đổi trong độ dẫn điện một chiều được thể hiện qua cấu trúc phân lớp florua ba thành phần (BaSnF4 ) ở nhiệt độ môi trường. ⮚ Mật độ của các hạt mang điện tích di động là một hàm của nhiệt độ được thể hiện bằng các giá trị khác nhau của năng lượng hoạt hóa thấp (~0,27 eV trên nhiệt độ phòng (RT) và ~0,34 eV dưới RT) |
[ 9 ] |
| Nghiền bi | Bột than chì và bột niken được nghiền bằng bi Zirconia trong 1 giờ với tốc độ 1200 vòng/phút. | Siêu tụ điện | Điện cực được tạo ra bởi vật liệu nanocomposite NiO/RGO cho thấy
⮚ 590 F/g điện dung riêng nổi bật được đo ở 1 A g −1 ⮚ Tỷ lệ khả năng cao hơn (tỷ lệ giữ lại cao 88% của 15 A g −1 ) ⮚ Độ ổn định chu kỳ vượt trội (tỷ lệ lưu giữ là 100% sau 1000 chu kỳ sạc/xả) |
[ 117 ] |
| Nghiền bi năng lượng cao | Bột Si có kích thước siêu nhỏ và bi thép không gỉ được sử dụng trong quá trình nghiền bi với tỷ lệ bi:bột là 20:1 ở nhiệt độ phòng với các khoảng thời gian khác nhau có tốc độ quay 1200 vòng/phút | Pin lithium-ion | ⮚
Bản chất xốp của điện cực Si với kích thước lỗ chân lông ~20 nm được phủ một lớp carbon đồng nhất (khoảng 4,5 nm) cho thấy ⮚ Khả năng đảo ngược cao hơn là 1016,1 ở 1000 mA hg −1 và 834,1 mA hg −1 ở 2000 mA hg −1 (Độ ổn định chu kỳ cao, >99,5% trong 200 chu kỳ) |
[ 8 ] |
| Nghiền bi | Si, các hạt đa tinh thể và các tấm Si thải được sử dụng trong quá trình nghiền bi với thời gian 5 giờ và tốc độ 1200 vòng/phút để nghiền vật liệu | Pin lithium-ion | ⮚
Hiệu suất chu kỳ nổi bật (1000 mA hg -1 sau 1000 chu kỳ) được thể hiện bằng các hạt được chuẩn bị bởi các nguồn Si khác nhau ⮚ Mật độ năng lượng của “điện cực nhẹ và độc lập” bao gồm các sợi nano Si và carbon được phủ carbon phân cấp đã được tăng cường 745 phần trăm so với các điện cực thông thường được sử dụng ⮚ Sự ghép nối các vật liệu catốt như LiCoO 2 và LiNi 0,5 Mn 1,5 O 4 với anot gốc Si thể hiện mật độ năng lượng khoảng 547 W h kg −1 |
[ 118 ] |
| Nghiền bi | Vật liệu khối MoS2 và GO được nghiền trong 5 giờ theo tỷ lệ 1:1 | Pin lithium-ion và siêu tụ điện | Việc lắp ráp có tổ chức của điện cực composite MoS2 / rGO thể hiện
⮚ 306 Fg −1 điện dung riêng cao hơn được đo ở 0,5 A g −1 mật độ dòng điện ⮚ Gần như không có sự suy giảm nào về khả năng xả đối với pin lithium-ion sau 100 chu kỳ với 0,2 A g −1 và đối với siêu tụ điện sau 5000 chu kỳ với 4 A g −1 |
[ 119 ] |
| Máy nghiền bi hành tinh | Canxi cacbua, pyrazine, etanol và bi thép không gỉ được lấy theo tỷ lệ số lượng 1:1:1:1. Nghiền bi được thực hiện với tốc độ 600 vòng/phút trong 24 giờ trong môi trường khí argon. | Siêu tụ điện | Tính di động điện tử nhanh, diện tích bề mặt lớn hơn hoạt động điện hóa và các khuyết tật của nguyên tử nitơ dị hợp tử thể hiện hiệu suất điện hóa cao hơn với 235 Fg −1 ở 1 A g −1 điện dung và tỷ lệ lưu giữ là 87% sau 3000 chu kỳ | [ 7 ] |
| Nghiền bi nhiệt dung môi | 1 giờ nghiền bi thời gian ngắn được thực hiện bằng cách phủ vật liệu Ketjenblack lên bề mặt Na 3 V 2 (PO 4 ) 2 F 3 | Pin kiềm-ion | ⮚
Ketjenblack phủ Na3V2 (PO4 ) 2F3 cho thấy dung lượng riêng là 138 mA hg −1 ở tốc độ sạc/xả là 1/2 C và dung lượng riêng là 122 mA hg − 1 ở 40C . |
[ 120 ] |
| Máy nghiền bi hành tinh | Thành phần cụ thể của bột tinh khiết Na 2 CO 3 , K 2 CO 3 , Bi 2 O 3 , Ta 2 O 5 , ZnO và Nb 2 O 5 được sử dụng để tổng hợp KNN-BZTN theo tỷ lệ thành phần hóa học 0,925 (K 0,5 Na 0,5 ) NbO 3– 0,075 Bi (Zn 2/3 (Ta 0,5 Nb 0,5 ) 1/3 ) O 3 ) | Tụ điện gốm điện môi | ⮚
Gốm KNN-BZTN với kích thước hạt trung bình ~250 nm và số lượng lớn ranh giới hạt vô định hình thể hiện mật độ năng lượng cao có thể thu hồi là 4,05 J cm −3 với hiệu suất năng lượng là 87,4%. |
[ 121 ] |
| Máy nghiền bi năng lượng cao (HEBM) (Máy nghiền trộn) | HEBM (với tần số 15 Hz, thời gian nghiền 30 phút) được thực hiện để tạo ra vật liệu composite của Fe 2 O 3 , MWCNT và PVB theo tỷ lệ khối lượng lần lượt là 80,20 và 3. (MWCNT-Ống nano cacbon nhiều vách và PVB-poly vinyl butyral) cùng với gallocyanin | Siêu tụ điện | ⮚
Ba vật liệu tổng hợp khác nhau được tạo ra để đo điện dung của điện cực ⮚ Điện cực tổng hợp được thử nghiệm về hiệu suất điện hóa trong chất điện phân natri sunfat 0,5 M ⮚ Hợp chất chứa HEBM γ-Fe 2 O 3 , MWCNT và gallocyanine phân tán đồng thời thể hiện điện dung tối đa 1,53 F cm −2 so với các hợp chất khác (0,59 F cm −2 và 0,88 F cm −2 ) đối với tốc độ quét 2 mV S −1 |
[ 122 ] |
| Nghiền bi hành tinh (Nghiền bi ướt) | Các mẫu bột graphene ít lớp (FLG), NbSe 2 (FLN), hỗn hợp FLN@ graphene (FLNG) và LiFePO 4 (LFP)@ graphite được chế tạo với tỷ lệ bột khác nhau và điều kiện nghiền khác nhau. | Pin Lithium-ion và pin nhiên liệu | ⮚
Phương pháp nghiền bi ướt được sử dụng để chế tạo vật liệu tổng hợp gồm các cấu trúc dị thể NbSe2 2D nhiều lớp được nghiền bi ướt với graphene (WBMNG) ⮚ Các hạt NbSe2 phân lớp được chèn vào ma trận graphene phân lớp ít lớp ⮚ Hợp chất WBMNG thể hiện gần 1142 và 1000 mA hg −1 công suất ban đầu và có thể đảo ngược tương ứng ở mật độ dòng điện 0,1 A g −1 sau 200 chu kỳ với hiệu suất chu kỳ ổn định. |
[ 123 ] |
| Máy nghiền bi hành tinh | Nghiền bi được thực hiện bằng bi thép không gỉ có đường kính 5 mm với tốc độ 500 vòng/phút trong thời gian 360 phút. Nước được sử dụng làm môi trường để chuẩn bị MoS2 và graphene. | Pin natri-ion | ⮚
Vật liệu lai từ molypden sunfua (MoS2) và tấm nano graphene được chế tạo bằng phương pháp nghiền bi và tách lớp sử dụng tiền chất MoS2 và graphite thương mại ⮚ Hỗn hợp đã chuẩn bị thể hiện khả năng tốc độ cao hơn là 75 C ở mật độ dòng điện 50 A g −1 với dung lượng ổn định có thể đảo ngược là 201 mA hg −1 ⮚ Sau 250 chu kỳ, vật liệu cho thấy khả năng giữ lại 95% ở mật độ dòng điện là 0,3 A g −1 . |
[ 124 ] |
| Máy nghiền bi hành tinh | Vật liệu perovskite La 0,6 Sr 0,4 CoO 3-δ (LSC) được nghiền bi ở các khoảng thời gian khác nhau sau khi tổng hợp bằng phương pháp Pechini và xử lý nung ở 1000 °C. Bi zirconia được sử dụng để thực hiện nghiền bi với tốc độ nghiền 400 vòng/phút trong thời gian 12, 24, 36 và 48 giờ khi có mặt etanol | Pin lithium không khí | ⮚
Đã nghiên cứu tác động của thời gian nghiền khác nhau lên tính chất cấu trúc và điện hóa của perovskite LSC tổng hợp ở 1000 °C ⮚ Khi thời gian nghiền tăng, kích thước hạt giảm khi diện tích bề mặt tăng, sau một khoảng thời gian nhất định, kích thước hạt tăng do sự kết tụ của các hạt. ⮚ Perovskite nghiền bằng bi cho thấy hoạt động xúc tác điện tốt hơn perovskite không nghiền bằng bi về mặt phản ứng khử oxy và giải phóng oxy. |
[ 125 ] |
| Nghiền bi | Tiến hành nghiền bi trong 2 giờ bằng bi thép không gỉ trên vật liệu Li 1,02 Ni 0,4 Co 0,2 Mn 0,4 O 2 được chế tạo bằng phương pháp sol-gel sử dụng axit citric sau đó là quá trình phân hủy và thiêu kết. | Pin lithium có thể sạc lại | ⮚
Vật liệu catốt cho ứng dụng điện hóa được chế tạo bằng vật liệu Li 1,02 Ni 0,4 Co 0,2 Mn 0,4 O 2 được nghiền bi có chứa cacbon ⮚ Hiệu suất điện hóa của mẫu nghiền bi và mẫu nghiền thủ công được phân tích ⮚ Khả năng xả chu kỳ đầu tiên đối với mẫu nghiền bi (BM) và mẫu nghiền thủ công (MG) được đo là 167 và 156 mA hg -1 tương ứng. Khả năng giữ lại là 87 và 75% được đo đối với mẫu BM và MG ở 8°C sau 50 chu kỳ. |
[ 126 ] |
| Nghiền bi hỗ trợ plasma (P-milling) | Tỷ lệ 50:1 giữa bi (thép không gỉ) và bột trong môi trường khí argon được sử dụng trong quá trình nghiền. Xi lanh của bi nghiền rung với tần số 16 Hz. Tần số xả 60 kHz với dòng điện 1,5 A được áp dụng trong quá trình nghiền. | Pin kali-ion (PIB) | ⮚
Các hợp chất khác nhau của selen, phosphate đỏ và carbon (Se/P/C) với tỷ lệ mol và thời gian nghiền khác nhau đã được chuẩn bị ⮚ Hợp chất Se-P với lớp phủ carbon cho thấy hiệu suất tốt hơn khi làm vật liệu anot trong PIB ⮚ Tỷ lệ mol 1:2 đối với Se: P (lớp phủ C) với quá trình nghiền bi P trong 30 giờ cho thấy khả năng đảo ngược là 634 mA hg −1 ở mật độ dòng điện 0,05 A g −1 cũng cho thấy khả năng tốc độ là 248,6 mA hg −1 ở mật độ dòng điện 1 A g −1 . |
[ 127 ] |
| Nghiền bi | Muối Liti sunfat (Li 2 SO 4 ) và Natri sunfat (Na 2 SO 4 ) được nghiền bằng bi thép không gỉ. Tỷ lệ bi/bột là 1:6 với thời gian nghiền khác nhau (2, 4, 8 giờ). | Lưu trữ năng lượng nhiệt | ⮚
Hợp chất liti sunfat (LS)-natri sunfat (NS) được sử dụng cho ứng dụng lưu trữ năng lượng nhiệt (TES) ở nhiệt độ 450–550 °C. ⮚ Hiệu suất lý thuyết của TES được xác định bằng cách phân tích các thông số lý thuyết ⮚ Hỗn hợp LS/NS với tỷ lệ thành phần hóa học 79:21 và 50:50 thể hiện giá trị biến đổi nhiệt lý thuyết tương ứng là 270 J g −1 và 318 J g −1 và giá trị nhiệt tương ứng là 185 J g −1 và 160 J g −1 . |
[ 128 ] |
| Nghiền bi hỗ trợ plasma phóng điện rào cản điện môi (P-milling) | Bột germani (Ge) và than chì (C) thương mại theo tỷ lệ khối lượng 1:1, tỷ lệ bi thép: bột là 50:1 trong môi trường khí argon | Pin lithium-ion | ⮚
Vật liệu nanocomposite được chế tạo bằng Ge NP (150 nm) được bọc bằng các tấm graphene nhiều lớp (10 lớp) (Ge@FLG) ⮚ Anode tổng hợp Ge@FLG cho thấy điện trở truyền điện tích gần 90 Ω ⮚ Vật liệu tổng hợp Ge@FLG thể hiện công suất 846,3 mA hg −1 với khả năng giữ lại 86%. |
[ 40 ] |
| Nghiền bi hỗ trợ plasma phóng điện rào cản điện môi (P-milling) | Bột Sn và than chì theo tỷ lệ 1:1, tỷ lệ khối lượng giữa bi và bột là 50:1 được sử dụng trong môi trường khí argon | Pin lithium-ion | ⮚
Hiệu suất điện hóa của vật liệu composite Sn-C hỗ trợ plasma (vật liệu anot) được nghiền trong 10 giờ cho thấy hiệu suất coulomb ban đầu là 61,8% và dung lượng ban đầu là 818,7 mA hg -1 ⮚ Khả năng lưu giữ với 385 mA hg −1 được hỗ trợ lên đến 40 chu kỳ |
[ 129 ] |
Do đó, nghiền bi là một kỹ thuật đa năng có thể xử lý nhiều thành phần khác nhau, cung cấp phương pháp dễ dàng để điều chỉnh thành phần của vật liệu nanocomposite và tạo ra vật liệu nano có khuyết tật giúp tăng cường hiệu suất của thiết bị như được trình bày trong Bảng 2 .
Hydro là nhiên liệu sạch. Nền kinh tế hydro hiện tại đã nhắm mục tiêu vào sản xuất và lưu trữ hydro như những thách thức chính. Nếu hydro có thể được lưu trữ thành công trong vật liệu, thì hydro khi giải phóng có thể hoạt động như một nhiên liệu sạch. Năm 2005, Imamura et al. [ 116 ] đã báo cáo khả năng lưu trữ hydro của tinh thể magiê kích thước nano và MgH 2 (khi nhận được) được nghiền bằng bi có và không có benzen (phụ gia hữu cơ). Khả năng lưu trữ H 2 đã được thử nghiệm bằng cách pha tạp nhôm và niken trong mẫu MgH 2. Khả năng lưu trữ hydro của các mẫu nghiền bằng bi cho thấy MgH 2 khi nhận được được nghiền bằng benzen > MgH 2 đã nghiền > Mg đã nghiền bằng benzen > Mg đã nghiền. Mẫu MgH 2 đã nghiền bằng bi được pha tạp thêm 1 at.% và 2.9 at.% Al và Ni tương ứng trong benzen cho thấy hiệu suất lưu trữ hydro và hydriding/dehydriding đạt yêu cầu. Khả năng hấp thụ hydro thuận nghịch tối đa là 7,3 wt.% đạt được bằng mẫu pha tạp Al 1 at.% so với mẫu pha tạp Ni trong khí quyển H 2 ở áp suất 0,1 MPa. Một hợp chất của nano silicon và nanosheet graphene (Nano-Si/GN) được chế tạo bằng phương pháp nghiền hỗ trợ plasma xả đã được sử dụng làm anot của pin lithium-ion. Hiệu ứng hiệp đồng của plasma xả gia nhiệt nhanh và tác động của quá trình nghiền dẫn đến sự hình thành composite cấu trúc nano. Trong hợp chất này, các hạt silicon kích thước nano được nhúng đồng nhất trong các nanosheet graphene dẫn đến sự hình thành nhiều không gian trống kích thước nano. Độ xốp này chứng minh sự cải thiện về độ dẫn điện tử, khả năng và độ ổn định chu kỳ với 976 mA hg −1 ở mật độ dòng điện 50 mA g −1 bằng hợp chất nghiền P trong 20 giờ. Trong một nghiên cứu khác, nanocomposite niken oxit và graphene oxit khử (NiO/rGO) được sản xuất bằng phương pháp nghiền bi một bước. Phản ứng oxy hóa khử giữa graphene oxit và niken dẫn đến sự hình thành liên kết mạnh giữa chúng. Vật liệu nanocomposite thể hiện hiệu suất điện hóa với 590 F/g điện dung riêng ở mật độ dòng điện 1 A g −1 và khả năng giữ lại 88% ở tốc độ 15 A g −1 . Nó cũng thể hiện khả năng giữ lại 100% sau 1000 chu kỳ sạc và xả. Oxit graphene cũng đã được sử dụng trong một số nghiên cứu khác. Vật liệu composite của MoS2 / rGO đã được Ji et al. sử dụng để đo điện hóa trong pin lithium-ion và siêu tụ điện. [ 119 ]. Sự hình thành lớp xen kẽ của vật liệu 2D, các vị trí phản ứng hoạt động khổng lồ, sự phân tán của các tấm nano MoS2 vào bề mặt rGO và hiệu ứng hiệp đồng giữa MoS2 và rGO trong vật liệu composite cho thấy sự suy giảm khả năng xả không đáng kể là 0,2 A g −1sau 100 chu kỳ và 4 A g −1 sau 5000 chu kỳ cho pin lithium-ion và siêu tụ điện. Trong một nghiên cứu khác, vật liệu anot được chế tạo bằng vật liệu composite MoS2 / graphene của Sun và cộng sự cho thấy 95% dung lượng lưu giữ với độ ổn định chu kỳ tốt hơn sau 250 chu kỳ ở mật độ dòng điện 0,3 A g −1 cho pin natri-ion. Tính toán lý thuyết mật độ chức năng (DFT) cho thấy khả năng hoạt hóa các nhóm chức năng trong vật liệu composite MoS2 / graphene. Các cấu trúc dị thể có khuyết tật bậc thấp và lượng oxy còn lại trong graphene cải thiện độ dẫn điện tử trong vật liệu composite và làm giảm rào cản khuếch tán Na + . Hiệu suất của vật liệu composite với niobi diselenide ít lớp (NbSe2 ) và graphene tổng hợp thông qua phương pháp nghiền bi ướt (WBMNG) được báo cáo bởi Nguyen và cộng sự [ 123 ]. Vật liệu anode bằng composite cho thấy 1142 mA hg −1 dung lượng ban đầu và 1000 mA hg −1 dung lượng có thể đảo ngược ở 0,1 A g −1 mật độ dòng điện sau 200 chu kỳ trong pin lithium-ion. Graphene dạng lớp mỏng với các hạt NbSe2 nhỏ hơn phân tán trên nó cho thấy diện tích bề mặt của vật liệu composite tăng lên. Nó cũng cung cấp một con đường vận chuyển electron/ion hiệu quả để tăng tốc độ dòng điện trong vật liệu anode. Cấu trúc dạng lớp có thể chịu trách nhiệm cho dung lượng lưu trữ quá mức. Tất cả các đặc tính này dẫn đến hiệu suất điện hóa thỏa đáng của vật liệu anode WBMNG.
Cấu trúc mới của N-graphene bằng cách thực hiện phương pháp nghiền bi một bước bằng cách sử dụng (canxi cacbua) CaC2 và pyrazine với etanol tuyệt đối được báo cáo bởi Ding et al. [ 123 ] cho thấy điện dung tối đa là 235 F g −1 ở 1 A g −1 mật độ dòng điện và 87% điện dung giữ lại sau 3000 chu kỳ sạc và xả ở mật độ dòng điện 6 A g −1 . Trong công trình này, Pyrazine được sử dụng làm tiền chất nitơ. Các khuyết tật dị nguyên tử nitơ và diện tích bề mặt lớn vận chuyển electron nhanh đã cải thiện hiệu suất điện hóa của N-graphene.
Các tính chất của vật liệu có cấu trúc lớp với khả năng dẫn ion được nghiên cứu bởi Pflügl et al. [ 9 ] cho thấy độ dẫn ion được cải thiện của vật liệu điện cực lên đến 7 × 10 -4 Scm -1 bằng vật liệu có cấu trúc lớp được chế tạo bằng kỹ thuật nghiền bi năng lượng cao. Hiệu ứng của việc ủ tiền chất ở nhiệt độ thấp dẫn đến quá trình chuyển pha của vật liệu với nhiều khuyết tật và rối loạn hơn, tạo ra khả năng lưu trữ năng lượng tốt. Trong một công trình khác, hiệu suất điện hóa của vật liệu Li 1,02 Ni 0,4 Co 0,2 Mn 0,4 O 2 được nghiền bằng bi (BM) và nghiền thủ công (MG) với bột cacbon đã được Santhanam et al. Họ báo cáo rằng mẫu BM thể hiện hiệu suất điện hóa tốt hơn mẫu MG. Khả năng lưu giữ được tính toán là 87 và 75% cho mẫu BM và MG tương ứng ở 8oC. Độ dẫn của vật liệu oxit lớp được tăng cường bằng cách thêm bột cacbon. Phương pháp nghiền bi làm giảm điện trở tiếp xúc giữa vật liệu oxit phân lớp và carbon, dẫn đến tăng độ dẫn điện của ion lithium và cải thiện hiệu suất của pin.
Vật liệu anot được chế tạo bằng bột Si và lớp phủ carbon do Nzabahimana et al. [ 8 ] báo cáo đã được sử dụng trong pin lithium-ion. Lớp đồng nhất (4,5 nm) carbon phủ trên silicon xốp được chế tạo bằng quy trình nghiền trong 2 giờ cho thấy 1016,1 và 834,1 mA hg −1 dung lượng có thể đảo ngược ở 1000 và 2000 mA g −1 mật độ dòng điện tương ứng, trong hơn 200 chu kỳ. Nó cho thấy hiệu suất coulomb 99,5% với hiệu suất chu kỳ ổn định. Về mặt lý thuyết, Si có dung lượng cao nhất so với điện cực gốc than chì, nhưng sự suy thoái về cấu trúc và làm giảm dung lượng điện cực theo hiệu suất chu kỳ hạn chế việc sử dụng nó trong các ứng dụng thực tế. Nghiền bi năng lượng cao với quy trình khắc cải thiện các đặc tính về cấu trúc và hình thái của tiền chất bằng cách giảm kích thước hạt và tăng diện tích bề mặt. Thời gian nghiền có tác động mạnh đến độ kết tinh, hình thái và hiệu suất điện hóa của vật liệu anot. Vật liệu điện cực được chế tạo bởi các hạt Si phủ carbon phân cấp và sợi nano carbon do Shen et al. nghiên cứu [ 118 ]. Các hạt được chế tạo bởi các nguồn Si khác nhau cho thấy hiệu suất chu kỳ lên đến 1000 mA hg −1 ở 2 A g −1 mật độ dòng điện sau 1000 chu kỳ. Sau hiệu suất chu kỳ, Si liên kết tốt với lớp vỏ carbon. Mật độ năng lượng của pin nhiên liệu được tăng cường bằng cách ghép một điện cực nhẹ, đứng tự do được chế tạo bởi Si phủ carbon phân cấp với LiNi 0,5 Mn 1,5 O 4 lên đến 547 W · h · Kg −1 trong 100 chu kỳ. Pin nhiên liệu thể hiện 46% mật độ năng lượng với cực âm LiNi 0,5 Mn 1,5 O 4 so với cực âm LiCoO 2. Kỹ thuật nghiền bi dung môi được Yi et al. sử dụng. [ 120 ] để tổng hợp vật liệu catốt Na 3 V 2 (PO 4 ) 2 F 3. Hiệu ứng của sự thay đổi nồng độ pH dẫn đến sự thay đổi trong cấu trúc hình thái từ hạt 0-D thành khối lập phương 3-D trong môi trường axit. Quá trình nghiền bi thời gian ngắn được thực hiện để thu được Na 3 V 2 (PO 4 ) 2 F 3 có kích thước nano được phủ bằng Ketjenblack (KB) (cacbon dẫn điện). Hợp chất Na 3 V 2 (PO 4 ) 2 F 3 và KB có giá trị pH là 3 thể hiện 138 mA hg −1 và 122 mA hg −1của dung lượng xả riêng ở 0,5C và 40C, tương ứng. Hiệu suất điện hóa của vật liệu composite (Fe 2 O 3 , MWCNT và PVB) trên bọt Ni làm bộ thu dòng điện đã được Zhang và Zhitomirsky [ 122 ] báo cáo. Trong công trình này, các tác giả đã chuẩn bị ba vật liệu composite khác nhau bằng cách sử dụng maghemite (γ-Fe 2 O 3 ), ống nano cacbon nhiều thành (MWCNT), polyvinyl butyral (PVB) và gallocyanine. Trong vật liệu composite-1, sử dụng bột Fe 2 O 3 không nghiền bi, trong khi ở vật liệu composite-2, sử dụng bột Fe 2 O 3 nghiền bi mà không có gallocyanine . Trong vật liệu composite-3, sử dụng bột Fe 2 O 3 nghiền bi có gallocyanine. Trong số hai vật liệu composite khác, vật liệu composite-3 cho thấy điện dung lên tới 1,53 F cm −2 trong chất điện phân natri sunfat 0,5 M. Gallocyanine cung cấp sự đồng phân tán hiệu quả cho bột Fe 2 O 3 và MWCNT. Điện dung thích hợp dẫn đến hiện tượng sạc và xả hiệu quả có lợi cho việc tăng cường các tính chất điện dung trong các thiết bị lưu trữ năng lượng. Vật liệu composite thu được cho thấy sự tương tác lẫn nhau giữa các tính chất sắt từ và điện dung, có thể hữu ích trong việc chế tạo các thiết bị đa chức năng. Hợp chất Selen: Phốt pho: Cacbon (Se:P:C) được tổng hợp bằng phương pháp nghiền bi hỗ trợ Plasma (P-milling) bằng cách thay đổi tỷ lệ mol của nguyên liệu thô và thời gian nghiền đã được Lin và cộng sự báo cáo [ 127 ]. Các tác giả đã chuẩn bị một số hợp chất Se:P:C bằng phương pháp nghiền P được thực hiện trong sự hiện diện của biên độ 7 mm và tần số 16 Hz của rung động xi lanh nghiền. Tần số phóng điện 60 kHz với điện áp 15 kV và dòng điện 1,5 A đã được áp dụng. Trong số các vật liệu composite khác, vật liệu anot được chế tạo bằng vật liệu composite vô định hình Se:2P/C@30h thể hiện hiệu suất điện hóa tốt hơn đối với pin ion Kali (PIB) với 634 mA hg −1 dung lượng thuận nghịch ở mật độ dòng điện 0,05 A g −1 và khả năng tốc độ 248,6 mA hg −1 ở mật độ dòng điện 1 A g −1 . Vật liệu composite thu được có kích thước hạt nhỏ hơn và giảm khoảng cách khuếch tán của ion kali. Nó cũng tăng cường độ dẫn điện của vật liệu hoạt động bằng cách ngăn ngừa sự hình thành polyselenide trong quá trình sạc và xả. Hiệu suất thực tế của điện cực thấp hơn hiệu suất lý thuyết do các pha mới chưa hoàn chỉnh do kali hóa. Chế tạo 0,925 (K 0,5 Na 0,5 ) NbO 3– 0,075 Bi (Zn 2/3 (Ta 0,5 Nb 0,5) 1/3 )O 3 ) (KNN-BZTN) vật liệu gốm sắt điện giãn nở của Wang et al. [ 125 ] thông qua tuyến nghiền bi năng lượng cao cho thấy các hình thái khác nhau. Hiệu ứng của nhiệt độ thiêu kết cao và thời gian giãn nở ngắn được tác động lên vật liệu theo hai bước dẫn đến giảm kích thước hạt và số lượng lớn ranh giới hạt, tăng cường hiệu quả hiệu suất lưu trữ năng lượng. Hiệu ứng đánh thủng điện tăng từ 222 lên 317 kV cm −1 do khoảng cách dải lớn và các đặc tính nồng độ hạt mang điện tích thấp hơn. Vật liệu thu được cho thấy các đặc tính lưu trữ năng lượng được cải thiện như mật độ năng lượng 4,02 J.cm 3 và hiệu suất năng lượng 87,4%.
Bên cạnh lưu trữ điện hóa, vật liệu cũng đã được sử dụng để lưu trữ năng lượng bằng các phương tiện khác. Khả năng lưu trữ năng lượng nhiệt (TES) của vật liệu composite Liti sunfat (LS)-Natri sunfat (NS) trạng thái rắn, vật liệu composite LS/NS được tổng hợp bằng phương pháp nghiền bi đã được Doppiu và cộng sự nghiên cứu. [ 128 ] vật liệu composite đã được sử dụng để lưu trữ TES ở nhiệt độ 450–550 °C. Các tác giả đã sử dụng phương pháp Calphad để nghiên cứu hiệu suất của TES bằng cách phân tích các thông số lý thuyết khác nhau như nhiệt dung, năng lượng tự do, độ giãn nở thể tích, nhiệt độ chuyển tiếp và nhiệt của phản ứng. Vật liệu composite LS/NS với tỷ lệ thành phần hóa học 79:21 và 50:50 thể hiện giá trị biến đổi nhiệt lý thuyết lần lượt là 270 J g −1 và 318 J g −1 và giá trị nhiệt lần lượt là 185 J g −1 và 160 J g −1 . Vật liệu này có thể hữu ích trong các ứng dụng lưu trữ nhiệt tiềm ẩn để lưu trữ nhiệt mà không mất nhiệt. Hơn nữa, vật liệu perovskite La 0,6 Sr 0,4 CoO 3−δ (LSC) tổng hợp bằng phương pháp Pechini và nung tiếp ở 1000 °C và nghiền bi ở thời gian nghiền khác nhau đã được Lee và cộng sự nghiên cứu về hiệu suất cấu trúc và điện hóa. [ 125 ]. Kết quả cho thấy khi thời gian nghiền tăng lên (lên đến 36 giờ), kích thước hạt giảm khi diện tích bề mặt tăng; sau một thời gian nghiền nhất định (48 giờ), các hạt bắt đầu kết tụ và dẫn đến kích thước hạt tăng lên. Các tác giả cũng kết luận rằng hiệu suất của LSC nghiền bi thể hiện hoạt động xúc tác điện vượt trội đối với phản ứng khử oxy và giải phóng oxy (ORR và OER) so với mẫu LSC không nghiền bi. Mẫu nghiền bi thu được cũng cho thấy hiệu suất thỏa đáng đối với pin lithium không khí đối với ORR và OER với tốc độ dung lượng và khả năng đảo ngược cao.
Nghiền plasma hay nghiền P là một kỹ thuật khác cung cấp cơ hội tổng hợp vật liệu có tính chất vật lý và/hoặc hóa học tốt hơn. Trong quá trình nghiền P, các electron và ion của plasma va chạm với các tiền chất phản ứng với tốc độ rất cao và truyền năng lượng của chúng cho các tiền chất sau, dẫn đến nhiệt độ vật liệu tăng lên. Nếu những nhiệt độ này đủ cao, có khả năng vật liệu bị bay hơi. Nhiệt độ tăng cũng có thể dẫn đến giải phóng ứng suất nhiệt của vật liệu, đến lượt nó, dẫn đến các cấu trúc vi mô khác nhau của vật liệu tổng hợp. Lin et al. [ 130 ] đã báo cáo phương pháp nghiền P để chế tạo graphene ít lớp bằng cách sử dụng các phương tiện nghiền khác nhau như oxit germani, oxit sắt, oxit kẽm, nitrua bo và cacbua vonfram. Mối quan hệ giữa số lớp được hình thành và khả năng cảm ứng của phương tiện nghiền đã được nghiên cứu. Ouyang et al. [ 40 ] đã chứng minh nanocomposite của các hạt nano germani (Ge) được bọc bằng graphene ít lớp (Ge@FLG) thông qua phương pháp hỗ trợ plasma phóng điện rào cản điện môi (DBDP). Trong nghiên cứu này, nanocomposite với bột Ge nghiền P trong 5 giờ và than chì nở được nung ở 1000 °C) và DBDP trong 10 giờ khi có mặt trong khí quyển argon cho thấy hiệu suất anot vượt trội đối với pin lithium-ion so với nanocomposite được chế tạo bằng cùng một tiền chất, nhưng không có DBDP và phương pháp nghiền bi thông thường. Sự kết tụ các hạt bắt đầu sau khi thời gian nghiền vượt quá 10 giờ dẫn đến hiệu suất điện hóa giảm. Nanocomposite Ge@FLG cho thấy điện trở thấp hơn gần 90 Ω đối với việc vận chuyển điện tích và dung lượng là 846,3 mA hg -1 với tỷ lệ giữ lại là 86%. Trong nghiên cứu của Liu et al. [ 129 ], hiệu suất điện hóa so sánh của vật liệu anot được chế tạo bằng nanocomposite Sn-C thông qua phương pháp nghiền hỗ trợ plasma phóng điện rào cản điện môi (DBDP) (PM) và phương pháp nghiền thông thường (CM) đã được báo cáo. Một hợp chất Sn–C được chế tạo bằng PM và CM sau 10 giờ nghiền (PM-10 h và CM-10 h tương ứng) cho thấy thành phần vi cấu trúc khác nhau. Trong khi sự phân tán không đồng nhất của các hạt Sn trong ma trận than chì được quan sát thấy trong CM-10 h, hợp chất Sn–C cho thấy sự phân tán đồng nhất của các hạt Sn đa thang trong ma trận than chì thông qua hợp chất PM-10 Sn–C. Ở trạng thái plasma, các hạt tích điện tác động vào bề mặt bột Sn với tốc độ cao và năng lượng cao, dẫn đến nhiệt độ cục bộ tăng lên sau đó giải phóng ứng suất nhiệt. Sự giãn nở do giải phóng ứng suất nhiệt được phân bố đồng đều và được quan sát thấy được nhúng đồng nhất trong ma trận than chì. Kỹ thuật này cho thấy các lớp than chì không bị hư hỏng như trong trường hợp của CM. Hiệu suất và dung lượng coulomb ở giai đoạn đầu được quan sát thấy là 61,8% và 818,7 mA hg−1 trong vật liệu composite PM-10 h trong khi 47,9% và 727,4 mA hg −1 được quan sát thấy trong vật liệu composite CM-10 h. Do đó, vật liệu composite PM-10 h thể hiện hiệu suất điện hóa vượt trội hơn vật liệu composite CM-10 h. Thời gian nghiền cần thiết ngắn hơn nhiều trong quy trình nghiền P so với các kỹ thuật nghiền khác. Do đó, tuyến đường nghiền P có những lợi thế đáng kể trong việc tổng hợp vật liệu ở quy mô nano và đặc biệt là tạo ra các cấu trúc vi mô khác nhau do phản ứng hóa học cao, diện tích bề mặt lớn và hoạt động ở nhiệt độ thấp. Các vật liệu lưu trữ hydro gốc Mg (H 2 ) và các nguyên tố nhóm IV-A được tổng hợp bằng phương pháp nghiền P đã được báo cáo là thể hiện hiệu suất đáng chú ý như vật liệu lưu trữ năng lượng [ 131 ].
Trong một nghiên cứu khác, một nanocomposite của các chấm lượng tử carbon và coban sulfide (CQDs/CoS2 ) được chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt hỗ trợ nghiền bi do Arsalani và cộng sự báo cáo [ 132 ]. Trong nghiên cứu này, CQDs được chế tạo bằng phương pháp hỗ trợ bức xạ vi sóng. Nanocomposite có hình thái xốp cao với CQDs bám trên bề mặt cung cấp diện tích bề mặt lớn, không gian lưu trữ ion bổ sung và các đường dẫn vận chuyển ion nhanh có thể thúc đẩy tăng cường hiệu suất siêu tụ điện. Các đặc tính điện hóa của nanocomposite CQDs/CoS2 và CoS2 tinh khiết ( không có trang trí CQDs) đã được thử nghiệm bằng các nghiên cứu về phép đo voltam tuần hoàn (CV), phép đo điện tích-phóng điện tĩnh (GCD) và phép đo phổ trở kháng điện hóa (EIS). Nanocomposite CQDs/CoS2 thể hiện hiệu suất điện hóa vượt trội hơn so với vật liệu CoS2 tinh khiết. Vật liệu nanocomposite này có dung lượng riêng là 808 F g −1 ở mật độ dòng điện 1 A g −1 .
-
Kết luận
Mặc dù có những ấn phẩm rất gần đây về các bài đánh giá về hợp kim cơ học, các nguyên tắc cơ bản cho các ứng dụng của nó [ 133 , 134 , 135 ], bài đánh giá hiện tại này tập trung vào việc triển khai các vật liệu nghiền bi và hệ thống nanocomposite cho các ứng dụng lưu trữ năng lượng, đặc biệt là lưu trữ điện hóa và hydro. Bài đánh giá này cũng hướng đến những phát triển gần đây về tổng hợp nanocomposite sử dụng phương pháp tiếp cận từ trên xuống đơn giản nhất, nghiền cơ hóa học và các khía cạnh liên quan của tương tác bề mặt. Các ràng buộc nghiền bao gồm thời gian nghiền, kích thước bi, tỷ lệ bi so với hàm lượng mẫu, tốc độ quay và năng lượng tham gia vào một phần quan trọng của các mối quan hệ cấu trúc-tính chất và tương tác composite. Vật liệu nanocomposite nghiền đang được sử dụng trong các ứng dụng cấu trúc khác nhau vì tốc độ hiệu suất và thông lượng cao hơn của chúng. Quá trình tổng hợp các vật liệu nanocomposite khác nhau (hệ thống kim loại từ tính và phi từ tính, hệ thống polyme và hệ thống gốm) và tác động của các thông số khác nhau đến khả năng nghiền của nanocomposite được thảo luận. Đánh giá chi tiết về các vật liệu nghiền bi này và việc sử dụng chúng trong các ứng dụng lưu trữ năng lượng được nêu chi tiết ở phần cuối của bài đánh giá.
Cộng đồng nghiên cứu vật liệu ngày càng quan tâm đến tổng hợp vật liệu nanocomposite thông qua phương pháp nghiền bi. Tính đơn giản, hiệu quả về chi phí và khả năng mở rộng quy mô khiến cho phương pháp này trở nên rất hấp dẫn. Nếu các thông số tối ưu hóa được kiểm soát đúng cách, có thể tổng hợp nhiều loại vật liệu nanocomposite (polyme, gốm, kim loại, v.v.) với kích thước và hình dạng mong muốn. Các nhà nghiên cứu đã tích hợp các cuộc điều tra của họ về tác động của các yếu tố nghiền khác nhau, đặc biệt là liều lượng năng lượng và cường độ năng lượng đối với các tính chất hình thái, lý hóa và cơ học. Nanocomposite thể hiện sự phân tán tốt của các chất độn nano với độ bám dính giao diện tốt và cũng có thể hấp thụ ứng suất tải, giúp cải thiện các tính chất cơ học tổng thể. Độ dẫn nhiệt cực cao nên được nghiên cứu trong tương lai đối với vật liệu nanocomposite nghiền bi vì nó rất quan trọng đối với việc quản lý nhiệt. Nghiền khô ở năng lượng trung bình và nghiền ướt ở năng lượng cao là một phương pháp hiệu quả để nhúng chất độn nano vào ma trận. Theo các ứng dụng, nên chọn đúng thành phần của chất độn nano và ma trận. Vật liệu anode và catot nghiền bi có thể áp dụng cho sản xuất quy mô lớn với hiệu suất tốt hơn. Những loại vật liệu nanocomposite kim loại hydride này có thể được sử dụng làm vật liệu lưu trữ hydro, vì chúng sở hữu các ion hydro vượt trội có thể dễ dàng được truyền qua màng trao đổi proton (PEM) trong pin nhiên liệu. Những thách thức về công nghệ liên quan đến việc sử dụng sáng tạo vật liệu nanocomposite nghiền trong các ứng dụng tiên tiến vẫn chưa được giải quyết.
-
Phạm vi và triển vọng trong tương lai
Những tiến bộ và cải tiến trong phương pháp nghiền bi thu hút các nhà nghiên cứu tổng hợp các vật liệu chức năng và vật liệu nanocomposite mới với nhiều khả năng chỉ bằng cách thay đổi các thông số nghiền và thu được các hình thái khác nhau trong vật liệu. Các vật liệu nghiền bi cho thấy hiệu suất thỏa đáng trong các nghiên cứu điện hóa và các thiết bị lưu trữ năng lượng do kích thước hạt nhỏ hơn, diện tích bề mặt lớn, số lượng lớn các vị trí hoạt động và các khuyết tật dẫn đến tăng cường các đặc tính bề mặt của vật liệu như khả năng phản ứng, khả năng chức năng hóa với các nguyên tử lạ, v.v. Vật liệu bị khuyết tật và gãy tạo ra sau khi nghiền thực sự là tập hợp của một loạt các vị trí có thể thúc đẩy chức năng hóa bằng các loài xúc tác. Do đó, việc lưu trữ năng lượng sẽ hiệu quả hơn đối với một lượng vật liệu điện cực hoạt động nhất định.
Các nghiên cứu lý thuyết về quá trình phản ứng và tối ưu hóa kết quả thực nghiệm cần được khám phá nhiều hơn để có chức năng hóa và nghiên cứu cấu trúc tốt hơn. Cần khám phá kỹ thuật nghiền chảo, nghiền hỗ trợ plasma để đạt được vật liệu có tính chất mới.
Nghiền cơ học có tiềm năng mở rộng thị trường cho vật liệu nanocomposite chất lượng cao, thông lượng cao. Để tăng khả năng tồn tại và khả năng tái tạo của vật liệu nanocomposite hợp kim cơ học, nghiên cứu bổ sung về tối ưu hóa điều kiện sẽ khá thú vị. Nhiệt độ nguyên liệu tăng, đặc biệt là khi sử dụng máy nghiền bi năng lượng cao, phải được xem xét vì chúng ảnh hưởng đến khả năng phản ứng của các vật liệu nhạy cảm với nhiệt độ (nhựa và bột nano tinh thể). Nghiên cứu cũng nên được thực hiện để điều tra xem máy nghiền có thể được sử dụng để xử lý các hạt nano đã biến đổi về mặt hóa học hay không. Để tối ưu hóa các tương tác và đạt được sự phân tán đồng đều, cần phải nghiên cứu các chiến lược để kết hợp tốt hơn các chất độn nano vào ma trận chính của vật liệu composite, đến lượt nó, đòi hỏi phải tối ưu hóa ở nhiều cấp độ để đạt được các đặc tính mong muốn. Để giải thích các ứng dụng tiềm năng của vật liệu nanocomposite nghiền bi, có thể thu được những hiểu biết sâu rộng về nghiên cứu.
Đóng góp của bài viết từ nhóm R&D Công ty Thiết bị Ngày Nay
Đây là bài báo khoa học nghiên cứu điển hình về tính ứng dụng từ thành tựu sản phẩm thiết bị khoa học công nghệ cho nghiên cứu và phát triển vật liệu mới, trong lĩnh vực công nghệ vật liệu nano, đặc biệt về sản xuất chế tạo vật liệu nanocomposite tiềm năng, có tính ứng dụng cao, bằng phương pháp: sử dụng máy nghiền bi để tổng hợp vật liệu nanocomposite, thay thế cho các phương pháp tiên tiến dùng để sản xuất tổng hợp các vật liệu nanocomposite thường được biết tới như sự cồng kềnh và tốn kém.”
Nghiên cứu này được đội ngũ team R&D Công ty Thiết bị Ngày Nay trích dẫn tổng hợp từ nguồn thông tin dữ liệu khoa học mở, nhằm cung cấp góc nhìn, xu hướng tiếp cận cho các nghiên cứu ứng dụng trong nước, liên quan tới lĩnh vực xu hướng hiện nay về sản xuất tổng hợp vật liệu nanocomposite.
Thông tin như là nguồn tư liệu quý giúp các nhà máy, bộ phận nghiên cứu R&D tham chiếu, lựa chọn định hướng phương pháp nghiên cứu và phát triển quy trình sản xuất hiệu quả tối ưu nhất., đặc biệt về tổng hợp sản xuất vật liệu nanocomposite.
*Cần ghi rõ nguồn “thietbingaynay.com ” khi phát hành lại thông tin từ website này!
