Grafito exfoliado - Guía completa

Con el rápido desarrollo de la ciencia de materiales, el grafito exfoliado, como nuevo material de carbono, se ha convertido en un punto caliente de la investigación. Debido a su excelente rendimiento y a su amplia aplicación. Su estructura única le confiere muchas características y tiene un gran potencial en muchos campos.

¿Qué es el grafito exfoliado?

El grafito exfoliado (EG) es un tipo de material de grafito fabricado a partir de grafito natural en escamas mediante tratamiento químico o electroquímico de intercalación y, a continuación, mediante expansión rápida a alta temperatura. El grafito natural en escamas tiene una estructura cristalina estratificada típica con débiles fuerzas de Van der Waals que unen las capas. Bajo la acción de un agente intercalante, algunas moléculas pequeñas o iones pueden insertarse entre las capas de grafito para formar compuestos intercalantes de grafito. Cuando el compuesto intercalado se trata a alta temperatura, el material intercalado se descompone y vaporiza rápidamente. Y la fuerza de expansión resultante hace que la capa de grafito se expanda violentamente a lo largo de la dirección perpendicular a la capa. Así se forma grafito exfoliado suelto, poroso y en forma de gusano.

Principales características del grafito exfoliado

Elevada superficie específica:

Su singular estructura porosa en forma de gusano hace que tenga una gran superficie específica, generalmente de hasta 100-1000 m2/g. Esta propiedad proporciona un amplio espacio para su aplicación en adsorción, catálisis y otros campos. Un gran número de sitios activos en la superficie puede favorecer la reacción química y la adsorción de sustancias.

Buen rendimiento de adsorción:

Con una elevada superficie específica y una rica estructura porosa, tiene una excelente capacidad de adsorción para una gran variedad de sustancias (incluidos los contaminantes orgánicos, los iones de metales pesados y las moléculas de gas). (La adsorción se basa principalmente en la adsorción física, y el material adsorbido se fija a la superficie de los poros. Al mismo tiempo, algunos grupos funcionales de su superficie también pueden adsorber químicamente algunas sustancias para potenciar aún más el efecto de adsorción.

Excelente flexibilidad y compresibilidad:

Cuando se comprime por una fuerza externa, la estructura puede deformarse hasta cierto punto, y puede restaurarse parcialmente tras eliminar la fuerza externa. Esta característica hace que tenga un importante valor de aplicación en materiales de sellado y otros campos.

Buena estabilidad térmica y química:

Se obtiene mediante un tratamiento especial del grafito, heredando algunas de sus excelentes propiedades. Por ejemplo, tiene propiedades químicas estables a altas temperaturas y no reacciona con la mayoría de los reactivos químicos. Al mismo tiempo, tiene una alta conductividad térmica, puede conducir rápidamente el calor dentro de un cierto rango de temperatura. Se puede utilizar en el intercambio de calor, la disipación de calor y otros campos.

Buena conductividad eléctrica:

La capa interior de grafito sigue manteniendo una buena conductividad eléctrica, y los electrones pueden moverse con mayor fluidez entre las capas. Esta propiedad lo convierte en una potencial perspectiva de aplicación en el campo de la electrónica, como materiales para electrodos de baterías, materiales de blindaje electromagnético, etc.

Proceso de preparación del grafito exfoliado

Selección de materias primas

Grafito natural en escamas:

Grafito natural en escamas con alta cristalinidad y gran tamaño de escala suele seleccionarse como materia prima para la preparación de grafito exfoliado. La estructura en forma de gusano que se obtiene tras el tratamiento de intercalación y expansión es más completa y las propiedades son relativamente mejores con un tamaño de escala mayor. Al mismo tiempo, la pureza del grafito también tiene un efecto importante en el rendimiento del grafito exfoliado. Y el grafito de alta pureza puede reducir el efecto adverso de las impurezas en el rendimiento del mismo.

Agente de intercalación:

La selección del agente intercalante es uno de los eslabones clave del proceso de preparación. Entre los intercalantes más utilizados se encuentran el ácido sulfúrico concentrado, el ácido nítrico concentrado, el ácido perclórico y otros ácidos oxidantes fuertes. Así como algunas sales metálicas, como el nitrato de hierro, el sulfato ferroso, etc. Estos intercaladores pueden reaccionar con el grafito en determinadas condiciones para insertar pequeñas moléculas o iones entre las capas de grafito. Los distintos agentes de intercalación tienen efectos diferentes sobre el efecto de intercalación del grafito y las propiedades finales.

Etapas de preparación y tecnologías clave

Tratamiento de intercalación:

Mezclar grafito natural en escamas y agente de intercalación en una proporción específica, y agitar la reacción a la temperatura adecuada. Tomando el ácido sulfúrico concentrado como agente de intercalación, añadir lentamente grafito al ácido sulfúrico concentrado a baja temperatura (0-20 °C). Y agitar durante un período de tiempo para promover que las moléculas de ácido sulfúrico se intercalen completamente. Es crucial controlar estrictamente la temperatura y el tiempo de reacción, ya que, de lo contrario, el grafito es propenso a oxidarse en exceso, lo que afecta a la expansión posterior. Este paso es la clave para lograr la exfoliación del grafito, sentando las bases para la expansión a alta temperatura.

Lavado y secado:

Tras la reacción de intercalación, lavar el producto, eliminar el agente de intercalación residual y los subproductos. Lavar hasta que quede neutro y, a continuación, secar para obtener compuestos de intercalación de grafito. Es necesario controlar la temperatura y el tiempo durante el secado para evitar la descomposición temprana de los compuestos de intercalación.

Expansión a alta temperatura:

Introduzca rápidamente el compuesto de intercalación de grafito seco en un horno de alta temperatura a 800-1000 °C. Los intercaladores se descomponen y vaporizan rápidamente a alta temperatura, generando una fuerte fuerza de expansión. Empujando la capa vertical de la capa de grafito a expandirse violentamente, se forma grafito expandido. El calentamiento rápido es la clave, permitiendo que la intercalación se descomponga completamente en poco tiempo. Mediante un proceso especial, también se puede obtener grafito expandido exfoliado con una estructura y unas propiedades únicas.

Aplicación del grafito exfoliado

Protección del medio ambiente

Tratamiento de aguas residuales

Tiene una buena adsorción de contaminantes orgánicos como el aceite y los fenoles y de iones de metales pesados. Puede utilizar el adsorbente para purificar el agua de forma eficaz.

Tratamiento de gases residuales

Se fabrica en materiales de adsorción y se introduce en el equipo. Puede absorber gases nocivos como el dióxido de azufre y los óxidos de nitrógeno de los gases residuales industriales y reducir la contaminación ambiental.

Campo de energía

Material del electrodo de la batería

Tiene buena conductividad, gran superficie específica, se puede utilizar como material de electrodo negativo en baterías de iones de litio. Para mejorar el rendimiento de carga y descarga de la batería y la estabilidad del ciclo. Y su estructura porosa favorece iones de litio almacenamiento y transmisión.

Material de almacenamiento de hidrógeno

Debido a su estructura porosa, tras un tratamiento adecuado, tiene una gran capacidad de almacenamiento de hidrógeno en determinadas condiciones. Y se espera que se convierta en un nuevo tipo de material de almacenamiento de hidrógeno para resolver el problema del almacenamiento de energía de hidrógeno.

Campo industrial

Material de sellado

Con flexibilidad y compresibilidad, se ha convertido en un material de sellado ideal, en forma de junta de grafito exfoliado. Se puede hacer en varias formas para tuberías, válvulas, recipientes a presión y otros equipos de sellado, prevenir con eficacia las fugas en condiciones duras.

Material de intercambio térmico

Debido a su buena estabilidad térmica y conductividad térmica, se puede utilizar para fabricar intercambiadores de calor para acelerar la conducción del calor. Y mejorar la eficiencia del intercambio de calor en industrias químicas, energéticas y otras.

Campo electrónico

Material de blindaje electromagnético

Debido a la buena conductividad, se puede hacer de materiales de blindaje electromagnético para carcasas de equipos, placas de circuitos y otras partes debido a la buena conductividad. Puede reflejar y absorber las ondas electromagnéticas y reducir la radiación electromagnética.

Material del sensor

Su elevada superficie específica y actividad superficial, por lo que tiene características de adsorción y respuesta a gases específicos. Puede convertirse en un sensor de gas para detectar la concentración de gases nocivos. En sensores de presión, humedad y otros campos, también tiene potencial de aplicación. Cuando se preparan materiales sensibles a los sensores, la estructura única y las propiedades químicas del óxido de grafito exfoliado pueden mejorar el rendimiento del sensor.

Conclusión

El grafito exfoliado tiene una estructura única, un rendimiento excelente, una elevada superficie específica, buena adsorción, flexibilidad, estabilidad y conductividad. Tiene un gran potencial en muchos campos, como la protección del medio ambiente y la energía. Con la mejora del proceso de preparación, se mejorará su rendimiento y se reducirá su coste. Y la investigación futura también ampliará su aplicación.