¿Qué es el grafito purificado?

En el campo de la ciencia de materiales, el grafito se utiliza ampliamente por sus propiedades físicas y químicas únicas, desde minas de lápiz hasta productos de alta tecnología. Sin embargo, hay muchas impurezas en el grafito natural, que afectan seriamente a su rendimiento. Y el grafito purificado se ha convertido en la clave, que puede ayudarle a desempeñar un mayor valor, promover el desarrollo de la tecnología.

Método de preparación del grafito purificado

Método físico

Método de flotación:

La separación se consigue basándose en la diferencia de las propiedades físicas de la superficie del grafito y las impurezas. En especial, la diferente humectabilidad. La hidrofobicidad natural del grafito es buena, y los minerales de impureza son hidrofílicos. El mineral de grafito se muele y se mezcla con agua para formar pulpa, y se añaden colector y agente espumante. El colector hace que el grafito sea más hidrófobo y se adhiera más fácilmente a las burbujas. El agente espumante produce burbujas estables. A través del aire a la pulpa, el grafito flota con las burbujas para formar una capa de espuma. Y las impurezas permanecen en el fondo para lograr la separación.

El proceso es sencillo, de bajo coste, adecuado para el tratamiento a gran escala del mineral de grafito. Pero es difícil eliminar las impurezas de grano fino incrustadas, el efecto de purificación es limitado. Por lo general, sólo puede aumentar la pureza del grafito hasta 80%-90%.

Método de sublimación a alta temperatura:

El uso de grafito y la temperatura de sublimación de impurezas es diferente purificación. El punto de fusión del grafito es tan alto como 3652℃, es difícil de fundir bajo presión atmosférica. Bajo alta temperatura vacíoLa temperatura es superior a 2700℃. Las impurezas como el silicio, el aluminio y el hierro se subliman preferentemente, y el grafito permanece básicamente sólido. Se introduce el grafito en un horno especial de alta temperatura. A 10^–3 -10^–5 Pa alta temperatura de vacío a 2800-3000 ℃, las impurezas se subliman después de ser extraídas por la bomba de vacío. Esto puede obtener más de 99,99% pureza del grafito. Sin embargo, el equipo es caro, el consumo de energía es grande, y la escala de producción es limitada.

Método químico

Método alcalino-ácido:

Comúnmente utilizando el método de purificación química, la reacción con álcali y ácido para convertir las impurezas en sustancias solubles para eliminar. En primer lugar, mezclar el grafito y el hidróxido de sodio en proporción, tostarlos a 500-700 ℃. Y las impurezas como la sílice y la alúmina reaccionan para producir silicato sódico y metaaluminato sódico. Los productos tostados se sumergieron en agua y se filtraron para eliminar la sal soluble. A continuación, se añade ácido clorhídrico al residuo filtrado, hierro, calcio y otras impurezas metálicas para producir cloruro soluble. Tras la filtración, se lava el grafito purificado. El proceso es maduro, el equipo es simple, el efecto de purificación es bueno, puede aumentar la pureza del grafito a 95%-99%. Pero producirá muchos residuos de aguas residuales, contaminando el medio ambiente.

Método del ácido fluorhídrico:

El uso del ácido fluorhídrico y la purificación de impurezas. El ácido fluorhídrico reacciona con impurezas como el dióxido de silicio para formar tetrafluoruro de silicio gaseoso volátil. El grafito se mezcla con ácido fluorhídrico en proporción, reacciona a la temperatura adecuada, se filtra y se lava al final para obtener grafito de gran pureza. Esto puede aumentar la pureza del grafito a más de 99%. Sin embargo, el ácido fluorhídrico es muy corrosivo y tóxico, y tiene elevados requisitos de seguridad para los equipos y el personal. Además, es difícil tratar las aguas residuales que contienen flúor, y el coste de protección del medio ambiente es elevado.

Caracterización del rendimiento del grafito purificado

Prueba de pureza significa

Análisis químico:

El uso de instrumentos para analizar cuantitativamente los elementos de impureza de grafito para determinar la pureza. Como ICP-MS puede medir simultáneamente una variedad de elementos traza, ultra-alta sensibilidad, puede detectar muy bajo contenido de impurezas. AAS se centra principalmente en las impurezas metálicas, atomizando la muestra y midiendo el grado de absorción de la luz. La concentración de impurezas se calcula con precisión, y luego se obtiene la pureza del grafito.

Método de determinación de cenizas:

La muestra de grafito se quema a 950-1000 ℃ a peso constante, materia orgánica volátil, etc. La fracción de masa de ceniza restante puede reflejar indirectamente la pureza del grafito. La operación es sencilla, pero sólo se puede conocer el contenido total de impurezas. Y no se pueden definir los tipos específicos de impurezas.

Observación de la microestructura

Microscopio electrónico de barrido (SEM)

Se utiliza para observar la situación microscópica del grafito, que puede mostrar claramente la estructura en capas, la morfología cristalina y la distribución de impurezas. A alta resolución, se pueden ver incluso características microscópicas como los defectos del cristal. Nos ayuda a comprender las propiedades del grafito y los efectos de la purificación en su estructura.

Microscopía electrónica de transmisión (TEM) :

Permite estudiar en profundidad la microestructura del grafito, como la estructura reticular. Penetra en muestras finas y utiliza técnicas de difracción de electrones e imagen para revelar disposiciones atómicas. Ayuda a estudiar los cambios en la estructura cristalina del grafito durante la purificación.

Prueba de rendimiento

Prueba de conductividad:

La conductividad del grafito en sí es buena, y es mejor después de la purificación. Para medir la resistencia eléctrica y calcular la conductividad eléctrica se suele utilizar el método de las cuatro sondas. En las baterías de iones de litio, el ánodo de grafito con alta conductividad puede mejorar la eficiencia de carga y descarga de la batería.

Prueba de estabilidad térmica:

La estabilidad térmica es crítica para el grafito en aplicaciones de alta temperatura. Los cambios de masa y calor se analizaron mediante análisis termogravimétrico (TGA) y calorimetría diferencial de barrido (DSC) respectivamente. Para evaluar la estabilidad de rendimiento del grafito a diferentes temperaturas.

Aplicaciones del grafito purificado

Baterías de iones de litio

En las baterías de iones de litio, el grafito es una ánodo material. El grafito purificado tiene mayor capacidad específica teórica y mejor estabilidad de ciclo, lo que puede reducir la obstrucción de las impurezas a las actividades de iones de litio. Puede reducir la resistencia interna, mejorar la densidad energética de la batería, la eficiencia de carga y descarga y el rendimiento de la tasa, y prolongar la vida útil del ciclo. Y puede satisfacer la demanda de baterías de alto rendimiento, como las de los vehículos eléctricos.

Fabricación de semiconductores

La fabricación de semiconductores exige una pureza muy elevada del material. Puede utilizar el grafito purificado en equipos de producción barcos de grafitoy otros componentes. Debido a su muy bajo contenido en impurezas, puede evitar la contaminación de los dispositivos semiconductores. Su alta pureza y estabilidad térmica pueden satisfacer los requisitos de los procesos de alta temperatura y alta precisión. Para garantizar la producción de alta calidad de dispositivos semiconductores.

Industria nuclear

En la industria nuclear, el grafito se utiliza como moderador de neutrones y material reflectante. El grafito purificado tiene un buen rendimiento de desaceleración de neutrones y una gran estabilidad química. Puede controlar eficazmente la velocidad y la distribución de los neutrones, reducir la interferencia de las impurezas en las reacciones nucleares. Mejora la seguridad del reactor y la eficacia del funcionamiento, y es de gran importancia en los reactores nucleares avanzados.

Materiales lubricantes de alta gama

El grafito tiene un buen rendimiento de lubricación y es una materia prima importante para materiales lubricantes de alta gama. Los materiales de lubricación fabricados con grafito purificado pueden mantener un excelente rendimiento de lubricación en condiciones extremas como alta temperatura, alta presión y alto vacío. Puede satisfacer las exigentes necesidades de los equipos del sector aeroespacial y reducir el desgaste de los componentes.

Conclusión

El grafito purificado puede eliminar eficazmente las impurezas y mejorar el rendimiento. Y los diferentes métodos de purificación tienen ventajas e inconvenientes, que deben considerarse exhaustivamente. Tiene un gran valor de aplicación en muchos campos y promueve el desarrollo industrial. En el futuro, se desarrollarán y aplicarán tecnologías de purificación más eficientes, respetuosas con el medio ambiente y de bajo coste.