Grafite esfoliata - Guida completa

Con il rapido sviluppo della scienza dei materiali, la grafite esfoliata, come nuovo materiale di carbonio, è diventata un punto caldo della ricerca. Grazie alle sue eccellenti prestazioni e all'ampia applicazione. La sua struttura unica conferisce molte caratteristiche e ha un grande potenziale in molti campi.

Che cos'è la grafite esfoliata?

La grafite esfoliata (EG) è un tipo di materiale grafitico ottenuto da fiocchi di grafite naturale mediante trattamento di intercalazione chimica o elettrochimica e successiva rapida espansione ad alta temperatura. La grafite naturale a scaglie ha una tipica struttura cristallina a strati con deboli forze di van der Waals che si legano tra gli strati. Sotto l'azione dell'agente intercalante, alcune piccole molecole o ioni possono essere inserite tra gli strati di grafite per formare composti intercalanti di grafite. Quando il composto intercalato viene trattato ad alta temperatura, il materiale intercalato viene decomposto e vaporizzato rapidamente. La forza di espansione risultante fa sì che lo strato di grafite si espanda violentemente lungo la direzione perpendicolare allo strato. Si forma così grafite esfoliata sciolta, porosa e vermiforme.

Caratteristiche principali della grafite esfoliata

Elevata superficie specifica:

L'esclusiva struttura porosa a forma di verme gli conferisce un'ampia area superficiale specifica, che in genere raggiunge i 100-1000 m2/g. Questa proprietà offre un ampio spazio per la sua applicazione nell'adsorbimento, nella catalisi e in altri campi. Un gran numero di siti attivi in superficie può promuovere la reazione chimica e l'adsorbimento di sostanze.

Buone prestazioni di adsorbimento:

Grazie all'elevata area superficiale specifica e alla ricca struttura dei pori, ha un'eccellente capacità di adsorbimento per diverse sostanze. (L'adsorbimento si basa principalmente sull'adsorbimento fisico e il materiale adsorbito viene fissato sulla superficie dei pori. Allo stesso tempo, alcuni gruppi funzionali presenti sulla superficie possono anche adsorbire chimicamente alcune sostanze per migliorare ulteriormente l'effetto di adsorbimento.

Eccellente flessibilità e comprimibilità:

Quando viene compressa da una forza esterna, la struttura può essere deformata in una certa misura e può essere parzialmente ripristinata dopo la rimozione della forza esterna. Questa caratteristica gli conferisce un importante valore applicativo nei materiali di tenuta e in altri campi.

Buona stabilità termica e chimica:

È ottenuto da un trattamento speciale della grafite, ereditando alcune eccellenti proprietà della grafite. Ad esempio, ha proprietà chimiche stabili alle alte temperature e non reagisce con la maggior parte dei reagenti chimici. Allo stesso tempo, ha un'elevata conducibilità termica, in grado di condurre rapidamente il calore entro un certo intervallo di temperatura. Può essere utilizzata per lo scambio termico, la dissipazione del calore e altri campi.

Buona conducibilità elettrica:

Lo strato di grafite all'interno conserva ancora una buona conducibilità elettrica e gli elettroni possono muoversi più agevolmente tra gli strati. Questa proprietà ne fa una potenziale prospettiva di applicazione nel campo dell'elettronica, come i materiali per gli elettrodi delle batterie, i materiali per la schermatura elettromagnetica e così via.

Processo di preparazione della grafite esfoliata

Selezione delle materie prime

Grafite naturale in scaglie:

Grafite naturale in scaglie con elevata cristallinità e grandi dimensioni, viene solitamente scelta come materia prima per la preparazione della grafite esfoliata. La struttura vermiforme ottenuta dopo il trattamento di intercalazione ed espansione è più completa e le proprietà sono relativamente migliori con dimensioni maggiori. Allo stesso tempo, anche la purezza della grafite ha un effetto importante sulle prestazioni della grafite esfoliata. Un'elevata purezza della grafite può ridurre l'effetto negativo delle impurità sulle sue prestazioni.

Agente intercalare:

La scelta dell'agente intercalante è uno degli elementi chiave del processo di preparazione. Gli intercalanti comunemente utilizzati sono l'acido solforico concentrato, l'acido nitrico concentrato, l'acido perclorico e altri acidi ossidanti forti. Inoltre, alcuni sali metallici, come il nitrato di ferro, il solfato ferroso e così via. Questi intercalatori possono reagire con la grafite in determinate condizioni per inserire piccole molecole o ioni tra gli strati di grafite. I diversi agenti intercalanti hanno effetti diversi sull'effetto di intercalazione della grafite e sulle proprietà finali.

Fasi di preparazione e tecnologie chiave

Trattamento di intercalazione:

Miscelare la grafite naturale in scaglie e l'agente intercalante in una proporzione specifica e agitare la reazione alla temperatura appropriata. Prendendo l'acido solforico concentrato come agente intercalante, aggiungere lentamente la grafite all'acido solforico concentrato a bassa temperatura (0-20 °C). E mescolare per un certo periodo di tempo per favorire la completa intercalazione delle molecole di acido solforico. Il controllo rigoroso della temperatura e del tempo di reazione è fondamentale, altrimenti la grafite è soggetta a un'ossidazione eccessiva, che influisce sulla successiva espansione. Questa fase è la chiave per ottenere l'esfoliazione della grafite, ponendo le basi per l'espansione ad alta temperatura.

Lavaggio e asciugatura:

Dopo la reazione di intercalazione, lavare il prodotto, rimuovere l'agente intercalante residuo e i sottoprodotti. Lavare fino a neutralità, quindi asciugare per ottenere i composti di intercalazione della grafite. È necessario controllare la temperatura e il tempo di essiccazione per evitare la decomposizione precoce dei composti di intercalazione.

Espansione ad alta temperatura:

Mettere rapidamente il composto di intercalazione di grafite essiccato in una fornace ad alta temperatura a 800-1000 °C. Gli intercalatori si decompongono e vaporizzano rapidamente ad alta temperatura, generando una forte forza di espansione. Spingono lo strato verticale dello strato di grafite a espandersi violentemente, formando grafite espansa. La chiave è il riscaldamento rapido, che consente all'intercalazione di decomporsi completamente in breve tempo. Grazie al processo speciale, è possibile ottenere grafite espansa esfoliata con struttura e proprietà uniche.

Applicazione della grafite esfoliata

Protezione dell'ambiente

Trattamento delle acque reflue

Ha una buona capacità di adsorbimento di inquinanti organici come olio e fenoli e ioni di metalli pesanti. È possibile utilizzare l'adsorbente per purificare efficacemente l'acqua.

Trattamento dei gas di scarico

Viene trasformato in materiali di adsorbimento e riempito nelle apparecchiature. Può assorbire gas nocivi come l'anidride solforosa e gli ossidi di azoto presenti nei gas di scarico industriali e ridurre l'inquinamento ambientale.

Campo di energia

Materiale dell'elettrodo della batteria

Ha una buona conducibilità, un'ampia superficie specifica e può essere utilizzato come materiale per elettrodi negativi nelle batterie agli ioni di litio. Per migliorare le prestazioni di carica e scarica della batteria e la stabilità del ciclo. E la sua struttura porosa è favorevole a ioni di litio conservazione e trasmissione.

Materiale di stoccaggio dell'idrogeno

Grazie alla struttura porosa, dopo un trattamento adeguato, ha un'elevata capacità di stoccaggio dell'idrogeno in determinate condizioni. Si prevede che diventerà un nuovo tipo di materiale di stoccaggio dell'idrogeno per risolvere il problema dell'immagazzinamento dell'energia dell'idrogeno.

Campo industriale

Materiale di tenuta

Grazie alla flessibilità e alla comprimibilità, è diventato un materiale di tenuta ideale, sotto forma di guarnizione in grafite esfoliata. È possibile realizzarla in varie forme per la tenuta di tubi, valvole, recipienti a pressione e altre apparecchiature, prevenendo efficacemente le perdite in condizioni difficili.

Materiale di scambio termico

Grazie alla sua buona stabilità termica e alla sua conducibilità termica, può essere utilizzato per produrre scambiatori di calore per accelerare la conduzione del calore. E migliorare l'efficienza dello scambio di calore nelle industrie chimiche, energetiche e di altro tipo.

Campo elettronico

Materiale di schermatura elettromagnetica

Grazie alla sua buona conducibilità, può essere utilizzato come materiale per la schermatura elettromagnetica di gusci di apparecchiature, schede di circuiti e altre parti. Può riflettere e assorbire le onde elettromagnetiche e ridurre le radiazioni elettromagnetiche.

Materiale del sensore

L'elevata area superficiale specifica e l'attività superficiale fanno sì che abbia caratteristiche di adsorbimento e risposta a gas specifici. È possibile trasformarlo in un sensore di gas per rilevare la concentrazione di gas nocivi. Anche i sensori di pressione, umidità e altri campi hanno un potenziale di applicazione. Nella preparazione di materiali sensibili ai sensori, la struttura unica e le proprietà chimiche dell'ossido di grafite esfoliato possono migliorare le prestazioni del sensore.

Conclusione

La grafite esfoliata ha una struttura unica, prestazioni eccellenti, elevata area superficiale specifica, buon adsorbimento, flessibilità, stabilità e conduttività. Ha un grande potenziale in molti campi come la protezione ambientale e l'energia. Con il miglioramento del processo di preparazione, le sue prestazioni miglioreranno e il costo si ridurrà. La ricerca futura ne amplierà anche l'applicazione.