什么是纯化石墨？

在材料科学领域，石墨以其独特的物理和化学性质被广泛应用于从铅笔芯到高科技产品的各个领域。然而，天然石墨中存在许多杂质，严重影响其性能。而提纯石墨已成为关键，它能帮助石墨发挥更大的价值，促进科技的发展。

纯化石墨的制备方法

物理方法

浮选法：

分离是根据石墨和杂质表面物理特性的不同来实现的。尤其是不同的润湿性。石墨的天然疏水性较好，而杂质矿物则具有亲水性。将石墨矿石研磨后与水混合形成矿浆，然后加入捕收剂和发泡剂。捕集剂使石墨更疏水，更容易附着在气泡上。发泡剂产生稳定的气泡。通过空气进入纸浆，石墨随气泡上浮，形成泡沫层。而杂质则留在底部，实现分离。

该工艺简单、成本低，适合大规模处理石墨矿。但难以去除细粒嵌布杂质，提纯效果有限。一般只能将石墨纯度提高到 80%-90%。

高温升华法

利用石墨与杂质升华提纯的温度不同。石墨的熔点高达 3652℃，在常压下很难熔化。在高温下 真空当温度高于 2700℃时，石墨会发生升华。硅、铝和铁等杂质优先升华，石墨基本保持固态。将石墨放入特制的高温炉中。在 10^–3 -10^–5 Pa 真空温度高达 2800-3000℃，杂质被真空泵抽出后升华。这样可以得到纯度超过 99.99% 的石墨。但设备昂贵，能耗大，生产规模有限。

化学方法

碱-酸法

常用化学提纯法，与碱和酸反应将杂质转化为可溶性物质去除。首先，将石墨和氢氧化钠按比例混合，在 500-700 ℃下焙烧。和二氧化硅、氧化铝等杂质发生反应，生成硅酸钠和偏铝酸钠。将焙烧产物浸入水中并过滤，以除去可溶性盐。然后向滤渣、铁、钙等金属杂质中加入盐酸，生成可溶性氯化物。过滤后，洗涤提纯石墨。该工艺成熟，设备简单，提纯效果好，可将石墨纯度提高到 95%-99%。但会产生大量废水废渣，污染环境。

氢氟酸法

氢氟酸的使用和杂质净化。氢氟酸与二氧化硅等杂质反应生成挥发性四氟化硅气体。将石墨与氢氟酸按比例混合，在适当的温度下反应，最后过滤、洗涤后得到高纯度石墨。这样可以将石墨的纯度提高到 99% 以上。然而，氢氟酸具有很强的腐蚀性和毒性，对设备和人员的安全要求很高。而且含氟废水处理困难，环保成本高。

纯化石墨的性能表征

纯度测试是指

化学分析

利用仪器定量分析石墨杂质元素，确定纯度。像 ICP-MS 可以同时测量多种微量元素，灵敏度超高，可以检测含量很低的杂质。AAS 主要针对金属杂质，通过雾化样品，测量其对光的吸收程度。准确计算出杂质浓度，进而得出石墨的纯度。

灰分测定法

石墨样品在 950-1000 ℃ 下焚烧，以恒定重量、挥发性有机物等。剩余灰分的质量分数可以间接反映石墨的纯度。操作简单，但只能知道杂质的总含量。而具体的杂质类型则无法确定。

微观结构观察

扫描电子显微镜（SEM）

用于观察石墨的微观情况，可清晰显示石墨的层状结构、晶体形态和杂质分布。在高分辨率下，甚至可以看到晶体缺陷等微观特征。它有助于我们了解石墨的特性以及提纯对其结构的影响。

透射电子显微镜（TEM） ：

可深入研究石墨的微观结构，如晶格结构。它能穿透薄薄的样品，利用电子衍射和成像技术揭示原子排列。有助于研究纯化过程中石墨晶体结构的变化。

性能测试

电导率测试：

石墨本身的导电性就很好，经过提纯后导电性更好。四探针法是测量电阻和计算电导率的常用方法，也是测量的关键。在锂离子电池中，导电率高的石墨负极可以提高电池充放电的效率。

热稳定性测试：

在高温应用中，热稳定性对石墨至关重要。热重分析法（TGA）和差示扫描量热法（DSC）分别分析了石墨的质量变化和热量变化。评估石墨在不同温度下的性能稳定性。

纯化石墨的应用

锂离子电池

在锂离子电池中，石墨是一种常见的 阴极 材料。纯化石墨具有更高的理论比容量和更好的循环稳定性，可减少杂质对锂离子活动的阻碍。它可以降低内阻，提高电池能量密度、充放电效率和倍率性能，延长循环寿命。可满足电动汽车等对高性能电池的需求。

半导体制造

半导体制造对材料的纯度要求非常高。您可以在生产设备中使用纯化石墨 石墨船、夹具和其他元件。由于其杂质含量极低，可避免污染半导体器件。其高纯度和热稳定性可满足高温、高精度的工艺要求。确保半导体器件的高质量生产。

核工业

在核工业中，石墨被用作中子慢化剂和反射材料。纯化石墨中子减速性能好，化学稳定性强。它能有效控制中子的速度和分布，减少杂质对核反应的干扰。它能提高反应堆的安全性和运行效率，在先进核反应堆中具有重要意义。

高端润滑材料

石墨具有良好的润滑性能，是高端润滑材料的重要原材料。由提纯石墨制成的润滑材料可在高温、高压、高真空等极端条件下保持优异的润滑性能。它可以满足航空航天领域设备的苛刻需求，减少部件磨损。

结论

纯化石墨可以有效去除杂质，提高性能。而不同的提纯方法各有利弊，应综合考虑。石墨提纯技术是一种高效、环保、低成本的提纯技术，在很多领域都有很大的应用价值，并能促进产业发展。未来，更高效、更环保、更低成本的提纯技术将得到开发和应用。