Graphite exfolié - Guide complet

Avec le développement rapide de la science des matériaux, le graphite exfolié, en tant que nouveau matériau carboné, est devenu un point chaud de la recherche. En raison de ses excellentes performances et de ses vastes applications, sa structure unique lui confère de nombreuses caractéristiques. Sa structure unique lui confère de nombreuses caractéristiques et présente un grand potentiel dans de nombreux domaines.

Qu'est-ce que le graphite exfolié ?

Le graphite exfolié (EG) est un type de graphite fabriqué à partir de graphite naturel en flocons par traitement chimique ou électrochimique d'intercalation, puis par expansion rapide à haute température. Le graphite lamellaire naturel présente une structure cristalline en couches typique, avec de faibles forces de van der Waals liant les couches entre elles. Sous l'action d'un agent intercalant, certaines petites molécules ou ions peuvent être insérés entre les couches de graphite pour former des composés intercalants de graphite. Lorsque le composé intercalaire est traité à haute température, le matériau intercalaire est décomposé et vaporisé rapidement. La force d'expansion qui en résulte provoque une expansion violente de la couche de graphite dans le sens perpendiculaire à la couche. Il en résulte un graphite exfolié lâche, poreux et vermoulu.

Principales caractéristiques du graphite exfolié

Surface spécifique élevée :

Sa structure poreuse vermoulue unique lui confère une grande surface spécifique, généralement comprise entre 100 et 1000 m2/g. Cette propriété offre un vaste champ d'application pour l'adsorption, la catalyse et d'autres domaines. Un grand nombre de sites actifs en surface peut favoriser la réaction chimique et l'adsorption de substances.

Bonne performance d'adsorption :

Avec une surface spécifique élevée et une structure poreuse riche, il possède une excellente capacité d'adsorption pour une grande variété de substances (notamment les polluants organiques, les ions de métaux lourds et les molécules de gaz). (L'adsorption est principalement basée sur l'adsorption physique, et la matière adsorbée est fixée à la surface des pores. Parallèlement, certains groupes fonctionnels à la surface peuvent également adsorber chimiquement certaines substances pour renforcer l'effet d'adsorption.

Excellente flexibilité et compressibilité :

Lorsqu'elle est comprimée par une force extérieure, la structure peut être déformée dans une certaine mesure, et peut être partiellement restaurée après l'élimination de la force extérieure. Cette caractéristique lui confère une valeur d'application importante dans les matériaux d'étanchéité et d'autres domaines.

Bonne stabilité thermique et chimique :

Il est obtenu par un traitement spécial du graphite, dont il hérite d'excellentes propriétés. Il possède notamment des propriétés chimiques stables à haute température et ne réagit pas avec la plupart des réactifs chimiques. En même temps, il a une conductivité thermique élevée et peut rapidement conduire la chaleur dans une certaine plage de température. Il peut être utilisé pour l'échange thermique, la dissipation de la chaleur et d'autres domaines.

Bonne conductivité électrique :

La couche de graphite à l'intérieur conserve une bonne conductivité électrique et les électrons peuvent se déplacer plus facilement entre les couches. Cette propriété lui confère un potentiel d'application dans le domaine de l'électronique, comme les matériaux d'électrode de batterie, les matériaux de blindage électromagnétique, etc.

Procédé de préparation du graphite exfolié

Sélection des matières premières

Graphite naturel en paillettes :

Graphite naturel en paillettes à haute cristallinité et à grande échelle est généralement choisi comme matière première pour la préparation du graphite exfolié. La structure vermiforme obtenue après l'intercalation et le traitement d'expansion est plus complète et les propriétés sont relativement meilleures avec une taille d'échelle plus importante. Parallèlement, la pureté du graphite a également un effet important sur les performances du graphite exfolié. Un graphite de grande pureté peut réduire l'effet négatif des impuretés sur les performances du graphite exfolié.

Agent d'intercalation :

Le choix de l'agent d'intercalation est l'un des éléments clés du processus de préparation. Les agents d'intercalation couramment utilisés sont l'acide sulfurique concentré, l'acide nitrique concentré, l'acide perchlorique et d'autres acides oxydants puissants. Il en va de même pour certains sels métalliques, tels que le nitrate de fer, le sulfate ferreux, etc. Ces agents d'intercalation peuvent réagir avec le graphite dans certaines conditions pour insérer de petites molécules ou des ions entre les couches de graphite. Les différents agents d'intercalation ont des effets différents sur l'effet d'intercalation du graphite et sur les propriétés finales.

Étapes de préparation et technologies clés

Traitement d'intercalation :

Mélanger le graphite naturel en paillettes et l'agent d'intercalation dans une proportion spécifique et agiter la réaction à la température appropriée. En prenant de l'acide sulfurique concentré comme agent d'intercalation, ajouter lentement du graphite à de l'acide sulfurique concentré à basse température (0-20 °C). Agiter pendant un certain temps pour favoriser l'intercalation complète des molécules d'acide sulfurique. Un contrôle strict de la température et du temps de réaction est crucial, sinon le graphite est susceptible de s'oxyder excessivement, ce qui affecte l'expansion ultérieure. Cette étape est la clé de l'exfoliation du graphite et jette les bases de l'expansion à haute température.

Lavage et séchage :

Après la réaction d'intercalation, laver le produit, éliminer l'agent d'intercalation résiduel et les sous-produits. Laver jusqu'à neutralité, puis sécher pour obtenir des composés d'intercalation du graphite. Il est nécessaire de contrôler la température et la durée du séchage pour éviter la décomposition précoce des composés d'intercalation.

Expansion à haute température :

Placer rapidement le composé d'intercalation en graphite séché dans un four à haute température (800-1000 °C). Les intercalants se décomposent et se vaporisent rapidement à haute température, générant une forte force d'expansion. La couche verticale de la couche de graphite se dilate violemment et forme du graphite expansé. Le chauffage rapide est la clé, permettant à l'intercalation de se décomposer complètement en peu de temps. Le processus spécial permet d'obtenir du graphite expansé exfolié avec une structure et des propriétés uniques.

Application du graphite exfolié

Protection de l'environnement

Traitement des eaux usées

Il adsorbe bien les polluants organiques tels que l'huile et les phénols, ainsi que les ions de métaux lourds. Vous pouvez utiliser l'adsorbant pour purifier l'eau efficacement.

Traitement des gaz résiduaires

Il est transformé en matériaux d'adsorption et introduit dans l'équipement. Il peut absorber les gaz nocifs tels que le dioxyde de soufre et les oxydes d'azote dans les déchets industriels et réduire la pollution de l'environnement.

Champ d'énergie

Matériau de l'électrode de la batterie

Il possède une bonne conductivité, une grande surface spécifique et peut être utilisé comme matériau d'électrode négative dans les batteries lithium-ion. Il permet d'améliorer les performances de charge et de décharge des batteries ainsi que la stabilité du cycle. En outre, sa structure poreuse est propice à l'utilisation d'électrodes négatives dans les batteries lithium-ion. lithium ion le stockage et la transmission.

Matériau de stockage de l'hydrogène

Grâce à sa structure poreuse, il possède, après un traitement approprié, une capacité de stockage de l'hydrogène élevée dans certaines conditions. Il devrait devenir un nouveau type de matériau de stockage de l'hydrogène pour résoudre le problème du stockage de l'énergie de l'hydrogène.

Domaine industriel

Matériau d'étanchéité

Grâce à sa flexibilité et à sa compressibilité, il est devenu un matériau d'étanchéité idéal, sous la forme d'un joint en graphite exfolié. Il est possible de lui donner différentes formes pour les tuyaux, les vannes, les réservoirs sous pression et d'autres équipements, afin de prévenir efficacement les fuites dans des conditions difficiles.

Matériau d'échange thermique

En raison de sa bonne stabilité thermique et de sa conductivité thermique, il peut être utilisé pour fabriquer des échangeurs de chaleur afin d'accélérer la conduction de la chaleur. Il permet également d'améliorer l'efficacité de l'échange de chaleur dans les industries chimiques, énergétiques et autres.

Domaine électronique

Matériau de blindage électromagnétique

En raison de sa bonne conductivité, il peut être utilisé comme matériau de blindage électromagnétique pour les coques d'équipement, les cartes de circuits imprimés et d'autres pièces. Il peut réfléchir et absorber les ondes électromagnétiques et réduire les radiations électromagnétiques.

Matériau du capteur

Sa surface spécifique et son activité de surface élevées lui confèrent des caractéristiques d'adsorption et de réponse à des gaz spécifiques. Il est possible d'en faire un capteur de gaz pour détecter la concentration de gaz nocifs. Les capteurs de pression et d'humidité, entre autres, présentent également un potentiel d'application. Lors de la préparation de matériaux sensibles aux capteurs, la structure et les propriétés chimiques uniques de l'oxyde de graphite exfolié peuvent améliorer les performances des capteurs.

Conclusion

Le graphite exfolié a une structure unique, d'excellentes performances, une surface spécifique élevée, une bonne adsorption, il est flexible, stable et conducteur. Il présente un grand potentiel dans de nombreux domaines tels que la protection de l'environnement et l'énergie. L'amélioration du processus de préparation permettra d'accroître ses performances et de réduire son coût. Les recherches futures permettront également d'élargir les applications.