Що таке оксид графіту?

Оксид графіту - важливий матеріал на основі вуглецю. Завдяки своїй унікальній структурі та властивостям він привертає велику увагу в багатьох галузях, таких як зберігання енергії, каталіз та композитні матеріали. Поглиблене вивчення оксиду графіту допомагає сприяти технологічним інноваціям і прогресу в суміжних галузях. І це дозволить розробити матеріали та продукти з більшими експлуатаційними перевагами.

Що таке оксид графіту?

• Фізичні та хімічні властивості оксиду графіту

Оксид графіту - це шарувата сполука, яку отримують шляхом окислення графіту.

За фізичними властивостями він зазвичай виглядає як чорний або темно-коричневий твердий порошок. Шарувата структура надає йому велику питому поверхню. Це сприяє адсорбції та завантаженню речовин. З точки зору щільності, спостерігається збільшення в порівнянні з вихідним графітом. Це пов'язано з введенням функціональних груп, таких як атоми кисню в процесі окислення.

З хімічної точки зору, поверхня оксиду графіту багата на кисневмісні функціональні групи. Це гідроксильні (-Oh), епоксидні (-O-) та карбоксильні (-COOH) групи. Наявність цих функціональних груп надає оксиду графіту хорошу гідрофільність. Таким чином, він може добре диспергуватися в полярних розчинниках, таких як водні розчини. У той же час, ці функціональні групи також надають оксиду графіту певну хімічну реактивність. І вони можуть здійснювати різноманітні хімічні модифікації та реакції функціоналізації. Такі як хімічний зв'язок з органічними молекулами, іонами металів тощо, щоб ще більше розширити діапазон його застосування. Наприклад, за допомогою координації з іонами металів можна отримати композити з матрицею оксиду графіту з каталітичними властивостями. Композит з органічним полімером може покращити механічні властивості та термічну стабільність полімеру.

• Формула оксиду графіту

Оксид графіту не має фіксованої простої хімічної формули. Це пов'язано з тим, що оксид графіту є нестехіометричною сполукою з різноманітними кисневмісними функціональними групами у своїй структурі. Загалом, його можна приблизно представити такою загальною формулою, як C(x)O(y)(OH)(z), де значення x, y і z залежать від таких факторів, як ступінь окислення. Кисень у структурі оксиду графіту знаходиться переважно у формі гідроксильної групи (-OH), епоксидної групи (-O-) і карбоксильної групи (-COOH). Наприклад, у випадку слабкого окислення вміст кисню є відносно низьким. При глибокому окисленні частка кисню значно зростає. Також зміниться тип і кількість функціональних груп. Ці зміни можуть призвести до різниці в складі, представленому його хімічною формулою.

Використання оксиду графіту

Зберігання енергії

У літій-іонних батареях можна використовувати оксид графіту як прекурсор для матеріалів негативних електродів. Завдяки своїй шаруватій структурі та кисневмісній функціональній групі, він може забезпечувати канали для входу та виходу іонів літію. А його електрохімічні характеристики можна додатково покращити шляхом хімічної модифікації. У той же час, з точки зору суперконденсаторів, електродні матеріали на основі оксиду графіту можуть досягти швидкого накопичення та вивільнення заряду. Це пов'язано з високою питомою поверхнею і хорошою електропровідністю, що забезпечує високу питому ємність і хорошу стабільність циклу.

Каталіз

Як носій каталізатора можна використовувати оксид графіту. Кисневмісні функціональні групи на поверхні можуть ефективно адсорбувати активні компоненти, такі як наночастинки металів або оксиди металів. Це запобігає їх агломерації, покращує дисперсність і активність каталізатора. Наприклад, каталізатори на основі оксиду графіту з наночастинками платини демонструють чудову каталітичну ефективність у реакції відновлення кисню в паливних елементах. Це може підвищити ефективність перетворення енергії паливних елементів. Крім того, оксид графіту сам по собі також має певну каталітичну активність. У деяких органічних реакціях, таких як реакція етерифікації, реакція епоксидування, він може відігравати каталітичну роль.

Сфера композитних матеріалів

У поєднанні з полімерами він утворює високоефективні композитні матеріали. Додавання оксиду графіту до полімерної матриці, такої як поліетилен, поліпропілен тощо, може значно покращити механічні властивості полімеру. Такі як міцність на розрив, міцність на вигин і модуль пружності. Це пояснюється тим, що шарувата структура оксиду графіту може відігравати певну роль у зміцненні та зміцненні полімеру. А інтерфейсна взаємодія між ним і полімером також сприяє передачі напруги. Крім того, оксид графіту також може покращити термостійкість та бар'єрні властивості композитних матеріалів. Тож у багатьох галузях, таких як аерокосмічна, він має широкі перспективи застосування.

Ціна на оксид графіту та фактори, що на неї впливають

Ціна на оксид графіту варіюється через низку факторів. Загалом, його ринкова ціна коливається від кількох доларів до десятків доларів за кілограм. Серед них вартість сировини є одним з важливих факторів, що впливає на ціну. Ціна на якісну природний графітовий порошок є відносно високою. Не можна ігнорувати і вартість хімічних реагентів, таких як сильні окислювачі. Крім того, складність і вартість процесу підготовки також впливають на ціну оксиду графіту. Використання більш досконалих і тонких процесів підготовки, таких як вдосконалений метод Хаммерса, хоча і дозволяє отримати продукцію з оксиду графіту кращої якості, але часто вимагає більших інвестицій в обладнання і більшого споживання енергії. Це призводить до підвищення цін на продукцію.

Чистота і якість продукту також є ключовими факторами у визначенні ціни. Продукти з оксиду графіту з високою чистотою, рівномірним розміром частинок, вмістом кисневмісних функціональних груп і контрольованим розподілом зазвичай коштують дорожче. Тому що такі продукти мають кращі характеристики у високоякісних додатках, таких як матеріали електронного класу, високоефективні каталізатори. А попит на ринку відносно великий. У той же час ринковий попит і пропозиція також будуть коливатися на ціну оксиду графіту. Коли ринковий попит на оксид графіту високий, а пропозиція відносно недостатня, ціна має тенденцію до зростання. З іншого боку, коли на ринку є надлишок пропозиції, ціна може впасти.

Порівняння оксиду графіту та оксиду графену

Конструктивні особливості

Оксид графіту зберігає характеристики шаруватої структури графіту. Але відстань між шарами збільшується порівняно з вихідним графітом, як правило, в межах 0,6-1,2 нм. Це пов'язано з тим, що в процесі окислення кисневмісні функціональні групи (такі як гідроксильні, епоксидні та карбоксильні групи тощо) впроваджуються в прошарок і край графіту. І щільно упакований шар графіту розтягується в сторони. Загальна структура все ще представляє багатошаровий стан укладання, кількість шари варіюється від десятків до сотень шарів. І ці шари підтримуються слабкими ван-дер-ваальсовими силами та взаємодією між функціональними групами.

Оксид графену зазвичай являє собою один шар або кілька шарів (зазвичай менше 10 шарів) двовимірної листової структури, товщиною всього кілька нанометрів. Це продукт оксиду графіту після подальшої обробки зачисткою. І один шар оксиду графену має велике співвідношення сторін, а розмір його площини може варіюватися від сотень нанометрів до десятків мікрон. Ця унікальна моношарова структура надає йому більшу питому поверхню і більш значний поверхневий ефект, ніж оксиду графіту.

Фізичні властивості

На вигляд оксид графіту - це переважно чорний або темно-коричневий порошок. У той час як оксид графену має відносно світлий колір через невелику кількість шарів, часто коричнево-жовтий або світло-коричневий.

З точки зору розчинності, оксид графіту має певну розчинність у полярних розчинниках (таких як вода, спирти тощо) завдяки наявності більшої кількості кисневмісних функціональних груп між шарами. Але дисперсність відносно низька, і агломерація легко відбувається. Оксид графену показав хорошу дисперсність у різних полярних розчинниках і може утворювати стабільний колоїдний розчин. Це пояснюється тим, що його моношарова структура зменшує схильність до агломерації. А велика кількість функціональних груп на поверхні забезпечує сильнішу взаємодію з молекулами розчинника.

З точки зору електричних властивостей, обидва вони проявляють напівпровідникові властивості завдяки наявності кисневмісних функціональних груп. Їх електропровідність відносно низька. Однак, завдяки своїй тоншій структурі та більшій питомій поверхні, оксид графену має кращий ступінь відновлення та контрольованості електричних властивостей після відновлювальної обробки, ніж оксид графіту. Після видалення деяких кисневмісних функціональних груп шляхом хімічного або термічного відновлення електропровідність оксиду графену може бути значно покращена. Навіть вона наближається до рівня вихідного графену, в той час як електричні характеристики оксиду графіту відносно обмежені.

Хімічні властивості

Кисневмісні функціональні групи на поверхні оксиду графіту та оксиду графену надають їм схожої хімічної реактивності. Ці функціональні групи можуть брати участь у різноманітних хімічних реакціях. Наприклад етерифікаціяетерифікацію, амідування тощо, щоб досягти функціональної модифікації матеріалів. Наприклад, реагуючи з органічним аміном, на його поверхню можна ввести амінофункціональні групи. Це додатково покращує розчинність матеріалу або його сумісність з іншими речовинами.

Однак, оскільки моношарова структура оксиду графену робить його функціональні групи більш відкритими. Він часто має вищу реакційну активність і швидкість реакції в хімічних реакціях. У поєднанні з іонами або оксидами металів оксид графену може швидше і рівномірніше взаємодіяти з активними компонентами, утворюючи композит з кращими характеристиками.

Синтез оксиду графіту та оксиду графену

Синтез оксиду графіту в основному використовує метод хімічного окислення, такий як класичний метод Хаммера та його вдосконалений процес. Під дією сильних окислювачів, таких як концентрована сірчана кислота і перманганат калію, графіт поступово окислюється і утворюється в результаті ряду складних етапів. Такі як низькотемпературна реакція, середньотемпературне окислення та високотемпературна інтеркаляція. Процес приготування повинен суворо контролювати температуру реакції, дозування окислювача, час реакції та інші параметри для забезпечення якості та продуктивності оксиду графіту.

Синтез оксиду графену, як правило, є подальшою обробкою зачистки на основі оксиду графіту. Поширені методи зачистки включають ультразвукову зачистку, механічну зачистку та зачистку хімічним відновленням. Ультразвуковий метод зачистки - це використання ультразвукової кавітації, оксиду графіту в дисперсії розчинника і розшарування в один шар або кілька шарів оксиду графену. Механічне зачищення досягається високошвидкісною силою зсуву або тертям. У процесі відновлення оксиду графіту метод зачистки хімічного відновлення використовує газ, що утворюється відновником, або структурну зміну в процесі відновлення для сприяння зачистці оксиду графіту. І в той же час реалізується видалення деяких кисневмісних функціональних груп для отримання відновленого оксиду графена з певною провідністю.

Висновок

В якості вуглецевий матеріал З унікальною структурою і властивостями, оксид графіту має багато особливостей у фізико-хімічних властивостях. Його формула приготування відносно зріла. Але вона все ще потребує тонкого регулювання для отримання високоякісної продукції. Він широко використовується в накопичувачах енергії, каталізі, композитних матеріалах та інших галузях. А на його ціну впливає багато факторів, таких як сировина, процес, якість та ринковий попит і пропозиція. Порівняно з оксидом графену, обидва мають переваги та недоліки. І вони можуть відігравати відповідні переваги в різних сценаріях застосування.

Очікується, що з постійним поглибленням матеріалознавчих досліджень і безперервним прогресом технологій оксид графіту буде застосовуватися і розвиватися в більшій кількості галузей. А його продуктивність буде продовжувати оптимізуватися і вдосконалюватися, забезпечуючи потужну підтримку для сприяння розвитку суміжних галузей. У майбутніх дослідженнях і розробках важливо буде продовжувати вивчати нові методи синтезу оксиду графіту. І глибоко зрозуміти взаємозв'язок між його структурою та властивостями, розширити його нові сфери застосування також є важливими.