石墨層間化合物

石墨層間化合物材料科學(xué)術(shù)語(yǔ)01介紹的合成的分類的用途目錄030204基本信息所謂石墨層間化合物，就是在插層劑的作用下，化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)侵入石墨層間，并在層間與碳原子鍵合，形成一種并不破壞石墨層狀結(jié)構(gòu)的化合物（Graphiteintercalationcompounds，簡(jiǎn)稱GICs）。石墨經(jīng)過(guò)化學(xué)處理制成的層間化合物，其性質(zhì)大大優(yōu)于石墨，具有耐高溫、抗熱震、防氧化、耐腐蝕、潤(rùn)滑性和密封性等優(yōu)良性能或功能，是制備新型導(dǎo)電材料、電池材料、儲(chǔ)氫材料、高效催化劑、柔性石墨、密封材料的原料，其應(yīng)用范圍已擴(kuò)大到冶金、石油、化工、機(jī)械、航空航天、原子能、新型能源等領(lǐng)域。介紹介紹石墨晶體是碳原子以共價(jià)鍵結(jié)合成的六角環(huán)形（碳原子間距為0.142nm）片狀體的層疊結(jié)構(gòu)，層面與層面之間距離較大（0.335nm），利用化學(xué)或物理的方法在石墨晶體的層面間插入各種分子、原子或離子，而不破壞其二維結(jié)構(gòu)，只是使其層面間距增大，形成一種石墨特有的化合物稱之為石墨層間化合物（也稱石墨插層化合物）。已經(jīng)成為近代炭素材料科學(xué)的一個(gè)分支，其中膨脹石墨（石墨層間化合物一種，見(jiàn)膨脹石墨）及從膨脹石墨進(jìn)一步加工制成的柔性石墨材料（見(jiàn)柔性石墨）已經(jīng)形成一定生產(chǎn)規(guī)模。

的分類的分類石墨層間化合物可以分為：金屬—石墨及堿土金屬—石墨層間化合物、鹵族元素—石墨層間化合物、金屬鹵化物—石墨層間化合物和三元石墨層間化合物等4類。（1）金屬—石墨層間化合物及堿土金屬—石墨層間化合物。堿金屬中的K、Rb、Cs的飽和組成為MC8化合物，Li的飽和組成是LiC6，但Na的飽和組成是NaC64，堿土金屬Ca、Sr、Ba和Li一樣生成MC6型化合物。在表示石墨層間化合物的結(jié)構(gòu)時(shí)一般使用“階數(shù)”，如圖1所示，它表示層間化合物C8K的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為石墨晶格間吸收鉀原子形成多種層間化合物的不同結(jié)構(gòu)示意圖。層間化合物有幾階結(jié)構(gòu)取決于插入什么樣的化學(xué)物質(zhì)，例如已知K、Rb，CS存在1～15階的石墨層間化合物，而Ca、Sr、Ba僅生成一階化合物，而得不到高階石墨層間化合物。（2）鹵族元素—石墨層間化合物。鹵族元素中的Br2易形成石墨層間化合物，其飽和組成為二階的C8Br，迄今尚未發(fā)現(xiàn)一階結(jié)構(gòu)。插入Br2的石墨層間化合物在與之平衡的Br2蒸氣中穩(wěn)定存在，但一旦去除溴蒸氣則容易分解形成殘留化合物。一般而言，將石墨層間化合物在空氣中放置分解而得到的物質(zhì)等總稱為殘留化合物，從結(jié)構(gòu)上它和原來(lái)的石墨幾乎沒(méi)有變化，但其缺陷程度增加，并可能和高階結(jié)構(gòu)混合存在等等，形式各種各樣。（3）金屬鹵化物—石墨層間化合物。由氯化鐵形成的石墨層間化合物很早即已知曉，其他許多金屬氯化物也可生成石墨層間化合物。但是能生成金屬溴化物的石墨層間化合物比較少，據(jù)報(bào)道可形成石墨層間化合物的有Al、Mn、Fe、Co、Ni、Ga、Cd、Au、Hg、Ti、U等的溴化物。的合成的合成石墨層間化合物的合成方法很多，幾種有代表性的合成方法介紹如下：（1）氣相恒壓反應(yīng)法。在氣相恒壓反應(yīng)法中，石墨試樣要和插層的物質(zhì)分別放在反應(yīng)管中的不同部位，并保持不同的溫度。設(shè)石墨的溫度為Tg，插層反應(yīng)物的溫度為Ti，使石墨與反應(yīng)物氣體接觸并發(fā)生反應(yīng)。Tg一般常比Ti高，以防止反應(yīng)物從石墨試樣中析出。Ti由反應(yīng)物的蒸汽壓決定，適當(dāng)選擇Tg與Ti之差，可確定生成的石墨層間化合物的組成和階結(jié)構(gòu)。（2）混合法及浸漬法。混合法是將石墨與反應(yīng)物混合的粉末進(jìn)行熱處理的方法，而浸漬法則是將石墨浸入熔融鹽中的方法，二者的反應(yīng)物的蒸汽壓低或希望在溫和條件下發(fā)生反應(yīng)等場(chǎng)合較為有效。該方法反應(yīng)速度快，在較短的時(shí)間內(nèi)可獲得所需要的層間化合物，但對(duì)去除殘余的未反應(yīng)物比較困難，是其缺點(diǎn)。使用混合熔融鹽能夠控制所獲得的石墨層間化合物的活性，使反應(yīng)在低溫下進(jìn)行成為可能而且含氯化物的石墨層間化合物經(jīng)過(guò)水洗也幾乎不分解，從而未反應(yīng)的氯化物也比較容易洗去，因此作為大批量的合成方法非常有用。（3）電化學(xué)方法。其代表性反應(yīng)物為硫酸。以石墨為陽(yáng)極，在濃硫酸中進(jìn)行電解，發(fā)生硫酸的插層反應(yīng)。從通電量的多少可以估算插入的硫酸量，并且電極電位與階數(shù)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)，因此插層過(guò)程容易監(jiān)控，這是此方法的優(yōu)點(diǎn)。最近，由于Li二次電池的開(kāi)發(fā)受到重視，關(guān)于Li在石墨（炭）中電化學(xué)插層的研究非?；钴S。的用途的用途石墨層間化合物的原料主要是天然鱗片石墨，但石墨層間化合物由于晶體結(jié)構(gòu)上的改變已是完全不同于母體天然鱗片石墨的一種新物質(zhì)。根據(jù)插入物質(zhì)的性質(zhì)和插層階數(shù)的不同，石墨層間化合物增加了許多天然鱗片石墨所沒(méi)有的特性。主要如：高導(dǎo)電性、高效催化性、高吸附性、壓縮復(fù)原性和自潤(rùn)滑性等。因此石墨層間化合物可以用作高導(dǎo)電材料、電池材料、高效催化劑、貯氫材料等。利用石墨層間化合物的插入和分解反應(yīng)的特點(diǎn)，已經(jīng)成功的制造了各種一次或二次電池，特別是二次鋰電池的開(kāi)發(fā)，具有極高的商業(yè)價(jià)值。又如氟化石墨的潤(rùn)滑性、防水性好，可以作為潤(rùn)滑劑加入潤(rùn)滑脂、潤(rùn)滑油中或添加到充當(dāng)防水材料的石蠟中，還可用作脫模劑和電鍍共析劑。近期氟化石墨與鋰組合的高能干電池引起重視，作為新一代二次電池具有高能量密度，高工作電壓，循環(huán)性好等特點(diǎn)。利用多孔炭材料進(jìn)行插入反應(yīng)可制造大功率電容器。又如氧化石墨（也稱石墨酸）在150℃以上急劇加熱時(shí)，會(huì)引起爆炸性分解，可制成熒光屏用炭膜或特殊的黏結(jié)劑。最近中國(guó)清華大學(xué)首創(chuàng)將膨脹