Grafite esfoliado - um guia completo

Com o rápido desenvolvimento da ciência dos materiais, o grafite esfoliado, como um novo material de carbono, tornou-se um ponto de pesquisa importante. Devido ao seu excelente desempenho e ampla aplicação. Sua estrutura exclusiva confere muitas características e tem grande potencial em muitos campos.

O que é grafite esfoliado?

O grafite esfoliado (EG) é um tipo de material de grafite feito de grafite natural em flocos por meio de tratamento de intercalação química ou eletroquímica e, em seguida, por expansão rápida em alta temperatura. O grafite natural em flocos tem uma estrutura típica de cristal em camadas com forças fracas de van der Waals que se ligam entre as camadas. Sob a ação do agente intercalante, algumas moléculas pequenas ou íons podem ser inseridos entre as camadas de grafite para formar compostos intercalantes de grafite. Quando o composto intercalado é tratado em alta temperatura, o material intercalado é decomposto e vaporizado rapidamente. E a força de expansão resultante faz com que a camada de grafite se expanda violentamente ao longo da direção perpendicular à camada. Assim, forma-se um grafite esfoliado solto, poroso e semelhante a um verme.

Principais características do grafite esfoliado

Alta área de superfície específica:

A exclusiva estrutura porosa em forma de verme faz com que ele tenha uma grande área de superfície específica, geralmente de 100 a 1000 m2/g. Essa propriedade proporciona um amplo espaço para sua aplicação em adsorção, catálise e outros campos. Um grande número de locais ativos na superfície pode promover a reação química e a adsorção de substâncias.

Bom desempenho de adsorção:

Com alta área de superfície específica e rica estrutura de poros, ele tem excelente capacidade de adsorção para uma variedade de substâncias. (A adsorção é baseada principalmente na adsorção física, e o material adsorvido é fixado na superfície do poro. Ao mesmo tempo, alguns grupos funcionais em sua superfície também podem adsorver quimicamente algumas substâncias para aumentar ainda mais o efeito de adsorção.

Excelente flexibilidade e compressibilidade:

Quando comprimida por força externa, a estrutura pode ser deformada até certo ponto e pode ser parcialmente restaurada após a remoção da força externa. Essa característica faz com que ele tenha um valor de aplicação importante em materiais de vedação e em outros campos.

Boa estabilidade térmica e estabilidade química:

É obtido por meio de tratamento especial do grafite, herdando algumas propriedades excelentes do grafite. Por exemplo, propriedades químicas estáveis em altas temperaturas e não reage com a maioria dos reagentes químicos. Ao mesmo tempo, tem alta condutividade térmica e pode conduzir rapidamente o calor em uma determinada faixa de temperatura. Você pode usá-lo em troca de calor, dissipação de calor e outros campos.

Boa condutividade elétrica:

A camada interna de grafite ainda mantém boa condutividade elétrica, e os elétrons podem se mover mais suavemente entre as camadas. Essa propriedade faz com que seja uma perspectiva de aplicação potencial no campo da eletrônica, como materiais de eletrodo de bateria, materiais de blindagem eletromagnética e assim por diante.

Processo de preparação de grafite esfoliado

Seleção de matérias-primas

Grafite em flocos naturais:

Grafite em flocos naturais com alta cristalinidade e tamanho em grande escala é geralmente selecionado como matéria-prima para a preparação de grafite esfoliado. A estrutura semelhante a um verme obtida após o tratamento de intercalação e expansão é mais completa e as propriedades são relativamente melhores com tamanho de escala maior. Ao mesmo tempo, a pureza do grafite também tem um efeito importante no desempenho do grafite esfoliado. E o grafite de alta pureza pode reduzir o efeito adverso das impurezas sobre seu desempenho.

Agente de intercalação:

A seleção do agente de intercalação é um dos principais elos do processo de preparação. Os intercaladores comumente usados incluem ácido sulfúrico concentrado, ácido nítrico concentrado, ácido perclórico e outros ácidos oxidantes fortes. Além de alguns sais metálicos, como nitrato de ferro, sulfato ferroso e outros. Esses intercaladores podem reagir com o grafite sob determinadas condições para inserir pequenas moléculas ou íons entre as camadas de grafite. Diferentes agentes de intercalação têm efeitos diferentes sobre o efeito de intercalação do grafite e as propriedades finais.

Etapas de preparação e tecnologias-chave

Tratamento de intercalação:

Misture grafite natural em flocos e agente de intercalação em uma proporção específica e agite a reação na temperatura adequada. Tomando o ácido sulfúrico concentrado como agente de intercalação, adicione lentamente o grafite ao ácido sulfúrico concentrado em baixa temperatura (0-20 °C). Mexa por um período de tempo para promover a intercalação total das moléculas de ácido sulfúrico. O controle rigoroso da temperatura e do tempo de reação é fundamental, caso contrário, o grafite estará sujeito à oxidação excessiva, afetando a expansão subsequente. Essa etapa é a chave para obter a esfoliação do grafite, estabelecendo a base para a expansão em alta temperatura.

Lavagem e secagem:

Após a reação de intercalação, lave o produto, remova o agente de intercalação residual e os subprodutos. Lave até ficar neutro e depois seque para obter compostos de intercalação de grafite. É necessário controlar a temperatura e o tempo durante a secagem para evitar a decomposição precoce dos compostos de intercalação.

Expansão em alta temperatura:

Coloque rapidamente o composto de intercalação de grafite seco em um forno de alta temperatura a 800-1000 °C. Os intercaladores se decompõem e vaporizam rapidamente em alta temperatura, gerando uma forte força de expansão. Empurrando a camada vertical da camada de grafite para expandir violentamente, formando grafite expandido. O aquecimento rápido é a chave, permitindo que a intercalação se decomponha totalmente em um curto espaço de tempo. Sob o processo especial, o grafite expandido esfoliado com estrutura e propriedades exclusivas também pode ser obtido.

Aplicação de grafite esfoliado

Proteção ambiental

Tratamento de águas residuais

Ele tem boa adsorção de poluentes orgânicos, como óleo e fenóis, e íons de metais pesados. Você pode usar o adsorvente para purificar a água de forma eficaz.

Tratamento de gases residuais

Ele é transformado em materiais de adsorção e preenchido no equipamento. Ele pode absorver gases nocivos, como dióxido de enxofre e óxidos de nitrogênio em gases residuais industriais, e reduzir a poluição ambiental.

Campo de energia

Material do eletrodo da bateria

Tem boa condutividade, grande área de superfície específica e pode ser usado como material de eletrodo negativo em baterias de íon-lítio. Para melhorar o desempenho de carga e descarga da bateria e a estabilidade do ciclo. E sua estrutura porosa é propícia para íon de lítio armazenamento e transmissão.

Material de armazenamento de hidrogênio

Devido à estrutura porosa, após o tratamento adequado, ele tem uma alta capacidade de armazenamento de hidrogênio sob determinadas condições. Espera-se que ele se torne um novo tipo de material de armazenamento de hidrogênio para resolver o problema de armazenamento de energia de hidrogênio.

Campo industrial

Material de vedação

Com flexibilidade e compressibilidade, ele se tornou um material de vedação ideal, na forma de gaxeta de grafite esfoliado. É possível fabricá-lo em vários formatos para vedação de tubos, válvulas, vasos de pressão e outros equipamentos, evitando efetivamente o vazamento em condições adversas.

Material de troca de calor

Devido à sua boa estabilidade térmica e condutividade térmica, ele pode ser usado na fabricação de trocadores de calor para acelerar a condução de calor. E melhorar a eficiência da troca de calor nos setores químico, de energia e outros.

Campo eletrônico

Material de blindagem eletromagnética

Devido à sua boa condutividade, pode ser usado como material de blindagem eletromagnética para carcaças de equipamentos, placas de circuito e outras peças. Ele pode refletir e absorver ondas eletromagnéticas e reduzir a radiação eletromagnética.

Material do sensor

Sua alta área de superfície específica e atividade de superfície fazem com que ele tenha características de adsorção e resposta a gases específicos. É possível transformá-lo em um sensor de gás para detectar a concentração de gases nocivos. Em sensores de pressão, umidade e outros campos, ele também tem potencial de aplicação. Ao preparar materiais sensíveis a sensores, a estrutura exclusiva e as propriedades químicas do óxido de grafite esfoliado podem melhorar o desempenho do sensor.

Conclusão

O grafite esfoliado tem estrutura exclusiva, excelente desempenho, alta área de superfície específica, boa adsorção, flexibilidade, estabilidade e condutividade. Ele tem grande potencial em muitos campos, como proteção ambiental e energia. Com o aprimoramento do processo de preparação, seu desempenho será melhorado e o custo será reduzido. E pesquisas futuras também ampliarão a aplicação.