Что такое оксид графита?

Оксид графита - важный материал на основе углерода. Благодаря своей уникальной структуре и свойствам он привлекает большое внимание во многих областях, таких как хранение энергии, катализ и композитные материалы. Глубокое изучение оксида графита способствует технологическим инновациям и прогрессу в смежных областях. А это позволит разработать материалы и продукты с более высокими эксплуатационными характеристиками.

Что такое оксид графита?

• Физические и химические свойства оксида графита

Оксид графита - это слоистое соединение, получаемое путем окисления графита.

По физическим свойствам он обычно представляет собой черный или темно-коричневый твердый порошок. Слоистая структура придает ему большую удельную поверхность. Это благоприятствует адсорбции и загрузке веществ. По плотности наблюдается увеличение по сравнению с исходным графитом. Это связано с внедрением функциональных групп, таких как атомы кислорода в процессе окисления.

С химической точки зрения, поверхность оксида графита богата кислородсодержащими функциональными группами. Такими как гидроксильные (-Oh), эпоксидные (-O-) и карбоксильные (-COOH) группы. Наличие этих функциональных групп придает оксиду графита хорошую гидрофильность. Поэтому он может хорошо диспергироваться в полярных растворителях, таких как водные растворы. В то же время эти функциональные группы придают оксиду графита определенную химическую реактивность. Они могут осуществлять различные химические модификации и реакции функционализации. Например, химическое связывание с органическими молекулами, ионами металлов и т. д., что позволяет еще больше расширить область его применения. Например, путем координации с ионами металлов можно приготовить матричные композиты на основе оксида графита с каталитическими свойствами. Композит с органическим полимером может улучшить механические свойства и термическую стабильность полимера.

• Формула оксида графита

Оксид графита не имеет фиксированной простой химической формулы. Это связано с тем, что оксид графита является нестехиометрическим соединением с разнообразными кислородсодержащими функциональными группами в своей структуре. В общем случае его можно представить в виде общей формулы C(x)O(y)(OH)(z), где значения x, y и z зависят от таких факторов, как степень окисления. Кислород в структуре оксида графита в основном находится в виде гидроксильной группы (-OH), эпоксидной группы (-O-) и карбоксильной группы (-COOH). Например, в случае мягкого окисления содержание кислорода относительно невелико. При глубоком окислении доля кислорода значительно возрастает. Также изменится тип и количество функциональных групп. Эти изменения могут привести к разнице в составе, представленном его химической формулой.

Использование оксида графита

Накопление энергии

В литий-ионных аккумуляторах оксид графита можно использовать в качестве прекурсора для отрицательных электродных материалов. Благодаря своей слоистой структуре и кислородсодержащей функциональной группе он может обеспечить каналы для встраивания и выхода ионов лития. А его электрохимические характеристики могут быть дополнительно улучшены путем химической модификации. В то же время в суперконденсаторах электродные материалы на основе оксида графита позволяют быстро накапливать и отдавать заряд. Это обусловлено их высокой удельной поверхностью и хорошей электропроводностью, демонстрирующими высокую удельную емкость и хорошую стабильность цикла.

Катализ

В качестве носителя катализатора можно использовать оксид графита. Кислородсодержащие функциональные группы на поверхности могут эффективно адсорбировать активные компоненты, такие как наночастицы металлов или оксиды металлов. Это предотвращает их агломерацию, улучшает дисперсность и активность катализатора. Например, катализаторы на основе оксида графита, нагруженные наночастицами платины, демонстрируют отличные каталитические характеристики в реакции восстановления кислорода в топливных элементах. Это может повысить эффективность преобразования энергии в топливных элементах. Кроме того, сам оксид графита также обладает определенной каталитической активностью. В некоторых органических реакциях, таких как реакция этерификации, реакция эпоксидирования, он может играть каталитическую роль.

Область композитных материалов

Его сочетают с полимерами для получения высокоэффективных композиционных материалов. Добавление оксида графита в полимерную матрицу, такую как полиэтилен, полипропилен и т.д., позволяет значительно улучшить механические свойства полимера. Например, прочность на растяжение, изгиб и модуль упругости. Это связано с тем, что слоистая структура оксида графита может играть роль в укреплении и упрочнении полимера. А интерфейсное взаимодействие между ним и полимером также способствует передаче напряжения. Кроме того, оксид графита может улучшать термостабильность и барьерные свойства композитных материалов. Поэтому во многих областях, например, в аэрокосмической, он имеет широкие перспективы применения.

Цена оксида графита и факторы, влияющие на нее

Цена на оксид графита варьируется в зависимости от ряда факторов. В целом его рыночная цена колеблется от нескольких долларов до десятков долларов за килограмм. Среди них одним из важных факторов, влияющих на цену, является стоимость сырья. Цена высококачественного натуральный графитовый порошок относительно высока. Нельзя игнорировать и стоимость химических реагентов, таких как сильные окислители. Кроме того, сложность и стоимость процесса подготовки также влияют на цену оксида графита. Использование более совершенных и тонких процессов подготовки, таких как улучшенный метод Хаммерса, хотя и позволяет получить более качественные продукты из оксида графита, но зачастую требует больших инвестиций в оборудование и большего потребления энергии. Это приводит к повышению цен на продукцию.

Чистота и качество продукта также являются ключевыми факторами при определении цены. Продукты из оксида графита с высокой степенью чистоты, равномерным размером частиц, содержанием кислородсодержащих функциональных групп и контролируемым распределением обычно стоят дороже. Потому что такие продукты имеют лучшие характеристики в высокотехнологичных областях применения, таких как материалы электронного класса, высокоэффективные катализаторы. И спрос на рынке относительно велик. В то же время, рыночный спрос и предложение также будут колебаться на цену оксида графита. Когда рыночный спрос на оксид графита высок, а предложение относительно недостаточно, цена имеет тенденцию к росту. С другой стороны, при избытке предложения на рынке цена может упасть.

Сравнение оксида графита и оксида графена

Структурные особенности

Оксид графита сохраняет слоистую структуру, характерную для графита. Однако расстояние между слоями увеличивается по сравнению с исходным графитом, как правило, в пределах 0,6-1,2 нм. Это связано с тем, что в процессе окисления кислородсодержащие функциональные группы (такие как гидроксильные, эпоксидные и карбоксильные группы и т. д.) внедряются в межслоевую и краевую части графита. Плотно упакованный слой графита растягивается. Общая структура по-прежнему представляет собой состояние многослойной укладки, количество слои варьируется от десятков до сотен слоев. Слои поддерживаются слабыми ван-дер-ваальсовыми силами и взаимодействием между функциональными группами.

Оксид графена обычно представляет собой один слой или несколько слоев (обычно менее 10 слоев) двумерной листовой структуры, толщиной всего несколько нанометров. Он является продуктом оксида графита после последующей очистки. Причем однослойный оксид графена имеет большое аспектное соотношение, а размер его плоскости может варьироваться от сотен нанометров до десятков микрон. Эта уникальная монослойная структура обеспечивает ему более высокую удельную площадь поверхности и более значительный поверхностный эффект, чем у оксида графита.

Физическое свойство

По внешнему виду оксид графита в основном представляет собой твердый порошок черного или темно-коричневого цвета. В то время как оксид графена имеет относительно светлый цвет из-за небольшого количества слоев, часто коричневато-желтый или светло-коричневый.

С точки зрения растворимости, оксид графита обладает определенной растворимостью в полярных растворителях (таких как вода, спирты и т. д.) благодаря наличию большего количества кислородсодержащих функциональных групп между слоями. Но дисперсия относительно плохая, и легко происходит агломерация. Оксид графена хорошо диспергируется в различных полярных растворителях и может образовывать стабильный коллоидный раствор. Это объясняется тем, что его монослойная структура снижает склонность к агломерации. А обилие функциональных групп на поверхности усиливает его взаимодействие с молекулами растворителя.

С точки зрения электрических свойств, оба они проявляют полупроводниковые свойства благодаря наличию кислородсодержащих функциональных групп. При этом их электропроводность относительно низкая. Однако благодаря более тонкой структуре и большей удельной поверхности оксид графена имеет лучшую степень восстановления и управляемости электрических свойств после восстановительной обработки, чем оксид графита. После удаления некоторых кислородсодержащих функциональных групп путем химического или термического восстановления электропроводность оксида графена может быть значительно улучшена. Даже она приближается к уровню исходного графена, в то время как электрические характеристики оксида графита относительно ограничены.

Химическое свойство

Кислородсодержащие функциональные группы на поверхности оксида графита и оксида графена придают им схожую химическую реакционную способность. Эти функциональные группы могут участвовать в различных химических реакциях. Например этерификация, этерификацию, амидирование и т.д., чтобы достичь функциональной модификации материалов. Например, в результате реакции с органическим амином на поверхность материала могут быть введены аминофункциональные группы. Это дополнительно улучшает растворимость материала или его совместимость с другими веществами.

Однако благодаря монослойной структуре оксида графена его функциональные группы более полно раскрыты. Он часто обладает более высокой реакционной активностью и скоростью реакции в химических реакциях. В сочетании с ионами металлов или оксидами металлов оксид графена может быстрее и более равномерно взаимодействовать с активными компонентами, образуя композит с лучшими характеристиками.

Синтез оксида графита и оксида графена

Для синтеза оксида графита в основном используется метод химического окисления, например, классический метод Хаммерса и его усовершенствованный вариант. При использовании графита в качестве сырья, под действием сильных окислителей, таких как концентрированная серная кислота и перманганат калия, графит постепенно окисляется и образуется в результате ряда сложных этапов. Таких как низкотемпературная реакция, среднетемпературное окисление и высокотемпературная интеркаляция. В процессе подготовки необходимо строго контролировать температуру реакции, дозировку окислителя, время реакции и другие параметры, чтобы обеспечить качество и производительность оксида графита.

Синтез оксида графена обычно представляет собой дальнейшую очистку от примесей на основе оксида графита. Распространенные методы зачистки включают ультразвуковую зачистку, механическую зачистку и химическую восстановительную зачистку. Ультразвуковой метод зачистки заключается в использовании ультразвуковой кавитации, оксид графита в растворителе диспергируется и расслаивается на один слой или несколько слоев оксида графена. Механическая зачистка достигается за счет высокоскоростного сдвига или трения. В процессе восстановления оксида графита метод химической восстановительной зачистки использует газ, генерируемый восстановителем, или структурные изменения в процессе восстановления для содействия зачистке оксида графита. Одновременно происходит удаление некоторых кислородсодержащих функциональных групп для получения восстановленного оксида графена с определенной проводимостью.

Заключение

В качестве углеродный материал Обладая уникальной структурой и свойствами, оксид графита демонстрирует множество характеристик в физических и химических свойствах. Формула его приготовления относительно отработана. Но для получения высококачественной продукции она все еще нуждается в тонком регулировании. Он широко используется в области хранения энергии, катализа, композитных материалов и других областях. На его цену влияет множество факторов, таких как сырье, процесс, качество, спрос и предложение на рынке. По сравнению с оксидом графена, у обоих есть преимущества и недостатки. И они могут играть свою роль в различных сценариях применения.

Благодаря постоянному углублению исследований в области материаловедения и непрерывному технологическому прогрессу, оксид графита, как ожидается, будет применяться и развиваться во все большем количестве областей. А его характеристики будут продолжать оптимизироваться и улучшаться, оказывая мощную поддержку развитию смежных отраслей. В будущих исследованиях и разработках важно продолжить изучение новых методов синтеза оксида графита. И глубоко понять связь между его структурой и свойствами, расширить его новые области применения также имеют большое значение.