تُعدّ طريقة الأكسدة الكيميائية طريقة تقليدية لتحضير الجرافيت القابل للتمدد. في هذه الطريقة، يُخلط الجرافيت الطبيعي المُقشّر مع مُؤكسد وعامل مُقسّم مناسبين، ويُضبط عند درجة حرارة مُحددة، مع التحريك المستمر، ثم يُغسل ويُرشّح ويُجفف للحصول على الجرافيت القابل للتمدد. وقد أصبحت طريقة الأكسدة الكيميائية طريقة ناضجة نسبيًا في الصناعة لما تتميز به من بساطة المعدات وسهولة التشغيل وانخفاض التكلفة.
تشمل خطوات عملية الأكسدة الكيميائية الأكسدة والتداخل. تُعد أكسدة الجرافيت شرطًا أساسيًا لتكوين الجرافيت القابل للتمدد، لأن سلاسة تفاعل التداخل تعتمد على درجة الانفتاح بين طبقات الجرافيت. يتميز الجرافيت الطبيعي في درجة حرارة الغرفة بثبات ممتاز ومقاومة عالية للأحماض والقلويات، لذا فهو لا يتفاعل معها، وبالتالي، أصبحت إضافة المؤكسد عنصرًا أساسيًا ضروريًا في الأكسدة الكيميائية.
توجد أنواع عديدة من المؤكسدات، وأكثرها استخداماً هي المؤكسدات الصلبة (مثل برمنجنات البوتاسيوم، وثنائي كرومات البوتاسيوم، وثلاثي أكسيد الكروم، وكلورات البوتاسيوم، وغيرها)، كما يمكن استخدام بعض المؤكسدات السائلة (مثل بيروكسيد الهيدروجين، وحمض النيتريك، وغيرها). وقد تبين في السنوات الأخيرة أن برمنجنات البوتاسيوم هي المؤكسد الرئيسي المستخدم في تحضير الجرافيت القابل للتمدد.
تحت تأثير المؤكسد، يتأكسد الجرافيت، وتتحول جزيئات الشبكة المتعادلة في طبقة الجرافيت إلى جزيئات مسطحة ذات شحنة موجبة. وبسبب التنافر بين الشحنات الموجبة المتشابهة، تزداد المسافة بين طبقات الجرافيت، مما يوفر قناةً ومساحةً لدخول المادة المتداخلة بسلاسة إلى طبقة الجرافيت. في عملية تحضير الجرافيت القابل للتمدد، يكون عامل التداخل حمضًا في الغالب. في السنوات الأخيرة، استخدم الباحثون بشكل رئيسي حمض الكبريتيك، وحمض النيتريك، وحمض الفوسفوريك، وحمض البيركلوريك، وحمضًا مختلطًا، وحمض الخليك الجليدي.
تعتمد الطريقة الكهروكيميائية على تيار ثابت، حيث يُستخدم محلول مائي من مادة مُقحمة كإلكتروليت. يتكون المصعد المركب من الجرافيت ومواد معدنية (مثل الفولاذ المقاوم للصدأ، أو البلاتين، أو الرصاص، أو التيتانيوم، إلخ)، بينما تُقحم المواد المعدنية في الإلكتروليت كمهبط، مُشكلةً حلقة مغلقة. أو يُمكن استخدام طريقة أخرى، وهي طريقة الجرافيت المعلق في الإلكتروليت، حيث يُقحم الجرافيت في كل من الصفيحتين السالبة والموجبة. يتم تنشيط القطبين بواسطة هذه الطريقة، مما يؤدي إلى أكسدة المصعد. يتأكسد سطح الجرافيت إلى كاربوكاتيون. في الوقت نفسه، وتحت تأثير التجاذب الكهروستاتيكي وانتشار فرق التركيز، تتخلل أيونات الحمض أو أيونات التداخل القطبية الأخرى طبقات الجرافيت لتكوين جرافيت قابل للتمدد.
بالمقارنة مع طريقة الأكسدة الكيميائية، تتميز الطريقة الكهروكيميائية لتحضير الجرافيت القابل للتمدد بأنها لا تستخدم مؤكسدات في العملية برمتها، مما يوفر كمية كبيرة من المعالجة، ويقلل من كمية المواد المسببة للتآكل المتبقية، ويتيح إعادة تدوير الإلكتروليت بعد التفاعل، ويقلل من كمية الحمض المستخدمة، ويوفر التكاليف، ويقلل من التلوث البيئي، ويقلل من تلف المعدات، ويطيل عمرها الافتراضي. في السنوات الأخيرة، أصبحت الطريقة الكهروكيميائية تدريجيًا الطريقة المفضلة لتحضير الجرافيت القابل للتمدد لدى العديد من الشركات لما تتمتع به من مزايا عديدة.
تعتمد طريقة الانتشار في الطور الغازي على إنتاج الجرافيت القابل للتمدد عن طريق ملامسة الجرافيت في حالته الغازية مع مادة التداخل، مما يؤدي إلى تفاعل التداخل. وعادةً ما يُوضع الجرافيت ومادة التداخل عند طرفي مفاعل زجاجي مقاوم للحرارة، ثم يُفرغ الهواء من المفاعل ويُغلق بإحكام، ولذلك تُعرف هذه الطريقة أيضاً بطريقة الحجرتين. وتُستخدم هذه الطريقة بكثرة في الصناعة لتصنيع الجرافيت القابل للتمدد من الهاليدات والفلزات القلوية.
المزايا: يمكن التحكم في بنية وترتيب المفاعل، ويمكن فصل المواد المتفاعلة والمنتجات بسهولة.
العيوب: جهاز التفاعل أكثر تعقيدًا، والتشغيل أكثر صعوبة، لذا فإن الإنتاج محدود، ويجب إجراء التفاعل في ظل ظروف درجة حرارة عالية، والوقت أطول، وظروف التفاعل عالية جدًا، ويجب أن تكون بيئة التحضير مفرغة من الهواء، لذا فإن تكلفة الإنتاج مرتفعة نسبيًا، وغير مناسبة لتطبيقات الإنتاج على نطاق واسع.
تعتمد طريقة الطور السائل المختلط على مزج المادة المضافة مباشرةً مع الجرافيت، مع توفير الحماية اللازمة لحركة الغاز الخامل أو نظام الإغلاق، وذلك لتسخين التفاعل وتحضير الجرافيت القابل للتمدد. وتُستخدم هذه الطريقة بشكل شائع في تصنيع مركبات الجرافيت البينية المعدنية القلوية (GICs).
المزايا: عملية التفاعل بسيطة، وسرعة التفاعل سريعة، ومن خلال تغيير نسبة المواد الخام الجرافيتية والمواد المضافة يمكن الوصول إلى بنية وتركيب معينين من الجرافيت القابل للتمدد، وهو أكثر ملاءمة للإنتاج الضخم.
العيوب: المنتج المتكون غير مستقر، ومن الصعب التعامل مع المادة الحرة المضمنة على سطح مركبات الجرافيت البينية، ومن الصعب ضمان اتساق مركبات الجرافيت البينية عند إجراء عدد كبير من عمليات التخليق.
تعتمد طريقة الصهر على مزج الجرافيت مع مادة وسيطة وتسخينه لتحضير جرافيت قابل للتمدد. ونظرًا لأن المكونات اليوتكتيكية تُخفض درجة انصهار النظام (إلى ما دون درجة انصهار كل مكون على حدة)، فهي طريقة لتحضير مواد الجرافيت البينية الثلاثية أو متعددة المكونات عن طريق إدخال مادتين أو أكثر (يجب أن تكون قادرة على تكوين نظام ملح منصهر) بين طبقات الجرافيت في آن واحد. وتُستخدم هذه الطريقة عمومًا في تحضير مواد الجرافيت البينية المصنوعة من كلوريدات المعادن.
المزايا: يتميز المنتج المُصنّع بثبات جيد، وسهولة الغسل، وبساطة جهاز التفاعل، وانخفاض درجة حرارة التفاعل، وقصر الوقت، وهو مناسب للإنتاج على نطاق واسع.
العيوب: من الصعب التحكم في بنية وتركيب المنتج في عملية التفاعل، ومن الصعب ضمان اتساق بنية وتركيب المنتج في التخليق الضخم.
تتمثل الطريقة المضغوطة في خلط مصفوفة الجرافيت مع مسحوق المعادن القلوية الترابية والمعادن الأرضية النادرة وتفاعلها لإنتاج M-GICS في ظل ظروف الضغط.
العيوب: لا يمكن إجراء تفاعل الإدخال إلا عندما يتجاوز ضغط بخار المعدن عتبة معينة؛ ومع ذلك، فإن ارتفاع درجة الحرارة قد يؤدي إلى تكوين كربيدات بين المعدن والجرافيت، مما ينتج عنه تفاعل سلبي، لذا يجب ضبط درجة حرارة التفاعل ضمن نطاق محدد. كما أن درجة حرارة إدخال المعادن الأرضية النادرة مرتفعة للغاية، لذا يجب تطبيق ضغط لخفض درجة حرارة التفاعل. هذه الطريقة مناسبة لتحضير مركبات الجرافيت المعدنية ذات نقطة الانصهار المنخفضة، ولكن الجهاز معقد ومتطلبات التشغيل صارمة، لذا نادراً ما تُستخدم حالياً.
تستخدم الطريقة الانفجارية عمومًا الجرافيت وعامل تمدد مثل بيروبيروس KClO4 أو Mg(ClO4)2·nH2O أو Zn(NO3)2·nH2O أو مخاليط محضرة. عند تسخينها، يتأكسد الجرافيت ويتفاعل مع مركب الكامبيوم في آن واحد، مما يؤدي إلى تمدده بطريقة "انفجارية"، وبالتالي الحصول على الجرافيت المتمدد. عند استخدام ملح معدني كعامل تمدد، يكون المنتج أكثر تعقيدًا، إذ لا يحتوي فقط على الجرافيت المتمدد، بل يحتوي أيضًا على المعدن.
