第3章石墨层间化合物.pptVIP

第三章 石墨层间化合物;石墨层间化合物(简称GICs)是一种利用物理或化学的方法使非炭质反应物插入石墨层间，与炭素的六角网络平面结合的同时又保持了石墨层状结构的晶体化合物 石墨层间化合物不仅保持石墨优异的理化性质，而且由于插人物质与炭层的相互作用而呈现出独特的物理与化学特性，如高导电性、同位素分离效应、催化效应、密封效应等，因此受到物理学家、化学学家和材料学家的重视，随之各个 国家都投人了大量的人力和物力进行研究。目前，全世界已成功地合成出了400多种石墨层间化合物及其衍生物;石墨层间化合物具有广阔的应用前景，目前主要集中在电池材 料、高效催化剂、储氢材料、密封材料、高导电材料等方面。;从插入层与石墨层之间的电子授受关系来说，主要分为两大类： 插入层的电子向石墨层转移．称为施主型插层化合物， 例如：碱金属、碱土金属??稀土金属等形成的插层化 合物； 石墨层的电子向插入层转移，称为受主型插层化合物， 例如：强酸和金属卤化物等形成的插层化合物。;Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0. Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.;Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0. Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.;第一节 石墨层间化合物的结构;Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0. Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.; 在同一范德华力间隙中，插入物质原子或分子可以不同的概率占据各间隙位置，形成二维有序结构。这种结构的形成既与插入物质的种类、组分有关，也与材料的温度有关。随温度的升高 或组分的变化可发生有序无序相变。;插入物质插层的过程就是一个电子转移的过程。 对于离子型GIC，插入物质的原子或分子以离子的形式存在于范德华力间隙中。 施主型GIC中，插入物质失去电子成为正离子，如K—GIC； 受主型GIC，插入物质获得电子成为负离子，如Br—GIC。; 插入物质进入石墨主体后，在高温下石墨主体体积发生膨胀，这是由于碳层层间距增大的结果。 插入物质后层间距可以增大数十倍，特别是可膨胀石墨，由于层间插入物受热汽化产生的膨胀力可以克服层间结合的分子间力，从而沿c轴方向膨胀了数十倍到数百倍;第二节 石墨层间化合物的制备; 将待插入物质和石墨分别装入耐热玻璃管两侧，使插入物加热蒸发产生的蒸汽与石墨反应。 实验中插入物质一侧的温度要高于石墨一侧的温度，以利于插入物质形成蒸汽，同时防止生成的层间化合物在温度过高时发生分解反应。 碱金属—GIC、卤化物—GIC的合成常用此法。 ;优点： 可以控制GICs的阶指数和结构，反应结束后易将产物和反 应物分离。 缺点： 反应装置复杂，难以进行大量的合成，且反应时间长，反应 温度高，需在真空条件下操作。; 将呈液态的插入物质与石墨混合，进行反应而生成石墨层间化合物，反应中温度、时间对产物的阶结构有很大影响。 这种方法设备简单，反应速度也快，对大量样品的合成很有效，而且可以利用改变原始反应物石墨和插入物的比率达到所希望的阶结构与组成；如Br—GIC、H2SO4—GIC。;缺点： 形成的产物不稳定，如果液相中组分多，还可以形 成不稳定的多元石墨层间化合物。 用液相法合成低硫GIC，通过使用双氧水替代了部分浓硫酸， 得到低硫产品，说明液相物质多元化，可根据具体的要求选择 相应的反应物。 ; 目前，主要以插入物的溶液，包括有机溶液和无机溶液或熔融盐为电解质，以石墨为电极形成的电化学体系。一胶将石墨作为阳极，通过调节电位、电量去控制产物的阶结构，适于研究插层反应热力学。 该法合成设备简单，合成量大，且产物结构稳定。在石墨层间化合物合成上，该法不足之处是合成产物的稳定性要比其他方法差，而且在水溶液中高电流下有副反应发生而很难得到一阶化合物。 目前，利用电化学法，以FeCl3—HCl，ZnCl2为电解质，已成功合成了FeCl3一GIC、ZnCl2—GIC，并在KBr的水溶液中，将溴插入到石墨中，结果石墨质量增加了10％，电阻率下降了30% ; 将某些金属或金属盐溶于非水溶剂中与石墨反应，常用 的溶剂有；液氨、SOCl2加有机溶剂(如苯)、萘加二甲氧 基乙烷等。 该法能在常温下大量合成，