Il metodo di ossidazione chimica è un metodo tradizionale per la preparazione di grafite espandibile. In questo metodo, la grafite naturale in scaglie viene miscelata con un ossidante e un agente intercalante appropriati, mantenuta a una determinata temperatura, agitata costantemente, lavata, filtrata ed essiccata per ottenere grafite espandibile. Il metodo di ossidazione chimica è diventato un metodo relativamente consolidato nell'industria, grazie ai vantaggi di attrezzature semplici, facilità d'uso e basso costo.
Le fasi del processo di ossidazione chimica includono l'ossidazione e l'intercalazione. L'ossidazione della grafite è la condizione fondamentale per la formazione di grafite espandibile, poiché la corretta esecuzione della reazione di intercalazione dipende dal grado di apertura tra gli strati di grafite. La grafite naturale a temperatura ambiente presenta un'eccellente stabilità e resistenza agli acidi e alle basi, pertanto non reagisce con essi; di conseguenza, l'aggiunta di un ossidante è diventata un elemento chiave nel processo di ossidazione chimica.
Esistono molti tipi di ossidanti; generalmente si utilizzano ossidanti solidi (come permanganato di potassio, dicromato di potassio, triossido di cromo, clorato di potassio, ecc.), ma possono essere impiegati anche ossidanti liquidi (come perossido di idrogeno, acido nitrico, ecc.). Negli ultimi anni si è scoperto che il permanganato di potassio è il principale ossidante utilizzato nella preparazione della grafite espandibile.
Sotto l'azione di un ossidante, la grafite si ossida e le macromolecole neutre della rete nello strato di grafite diventano macromolecole planari con carica positiva. A causa dell'effetto repulsivo delle cariche positive identiche, la distanza tra gli strati di grafite aumenta, creando un canale e uno spazio che permette all'intercalante di penetrare agevolmente nello strato di grafite. Nel processo di preparazione della grafite espandibile, l'agente intercalante è principalmente un acido. Negli ultimi anni, i ricercatori hanno utilizzato principalmente acido solforico, acido nitrico, acido fosforico, acido perclorico, miscele di acidi e acido acetico glaciale.
Il metodo elettrochimico prevede una corrente costante, utilizzando una soluzione acquosa di materiale da inserire come elettrolita. La grafite e i materiali metallici (acciaio inossidabile, piastre di platino, piastre di piombo, piastre di titanio, ecc.) costituiscono un anodo composito, mentre i materiali metallici inseriti nell'elettrolita fungono da catodo, formando un circuito chiuso. In alternativa, la grafite viene sospesa nell'elettrolita e inserita contemporaneamente tra le piastre positiva e negativa. Attraverso i due elettrodi, si effettua un processo di ossidazione anodica. La superficie della grafite si ossida trasformandosi in carbocatione. Allo stesso tempo, grazie all'azione combinata dell'attrazione elettrostatica e della diffusione per differenza di concentrazione, gli ioni acidi o altri ioni intercalanti polari si inseriscono tra gli strati di grafite, formando grafite espandibile.
Rispetto al metodo di ossidazione chimica, il metodo elettrochimico per la preparazione della grafite espandibile, grazie ai suoi numerosi vantaggi, consente di ottenere un processo completo senza l'utilizzo di ossidanti, con volumi di materiale da trattare maggiori, una minore quantità di sostanze corrosive residue, la possibilità di riciclare l'elettrolita dopo la reazione, una riduzione della quantità di acido necessaria, un risparmio sui costi, una minore inquinamento ambientale, un minor rischio di danni alle apparecchiature e una maggiore durata. Negli ultimi anni, il metodo elettrochimico, grazie ai suoi molteplici benefici, è diventato gradualmente il metodo preferito da molte aziende per la preparazione della grafite espandibile.
Il metodo di diffusione in fase gassosa consiste nel produrre grafite espandibile mettendo a contatto l'intercalante con la grafite in forma gassosa e innescando una reazione di intercalazione. Generalmente, la grafite e l'intercalante vengono posizionati alle due estremità di un reattore in vetro resistente al calore, si crea il vuoto e si sigilla il recipiente; per questo motivo, il metodo è anche noto come metodo a due camere. Questo metodo è spesso utilizzato nell'industria per sintetizzare grafite espandibile alogenata (EG) e grafite espandibile di metalli alcalini (EG).
Vantaggi: la struttura e l'ordine del reattore possono essere controllati e i reagenti e i prodotti possono essere facilmente separati.
Svantaggi: il dispositivo di reazione è più complesso, il funzionamento è più difficile, quindi la produzione è limitata, la reazione deve essere condotta in condizioni di alta temperatura, il tempo è più lungo e le condizioni di reazione sono molto estreme, l'ambiente di preparazione deve essere sottovuoto, quindi il costo di produzione è relativamente alto, non adatto per applicazioni di produzione su larga scala.
Il metodo a fase liquida mista consiste nel miscelare direttamente il materiale da inserire con la grafite, sotto la protezione della mobilità di un gas inerte o in un sistema di tenuta, per riscaldare la reazione e preparare grafite espandibile. È comunemente utilizzato per la sintesi di composti interlaminari metallo alcalino-grafite (GIC).
Vantaggi: Il processo di reazione è semplice, la velocità di reazione è elevata e, modificando il rapporto tra le materie prime di grafite e gli inserti, è possibile ottenere una determinata struttura e composizione di grafite espandibile, più adatta alla produzione di massa.
Svantaggi: Il prodotto formato è instabile, è difficile gestire la sostanza libera inserita attaccata alla superficie dei GIC ed è difficile garantire la consistenza dei composti interlamellari di grafite quando si effettua una sintesi di grandi quantità.
Il metodo di fusione consiste nel mescolare la grafite con un materiale intercalante e riscaldarla per preparare grafite espandibile. Basato sul fatto che i componenti eutettici possono abbassare il punto di fusione del sistema (al di sotto del punto di fusione di ciascun componente), è un metodo per la preparazione di GIC ternari o multicomponenti inserendo simultaneamente due o più sostanze (che devono essere in grado di formare un sistema di sali fusi) tra strati di grafite. Generalmente utilizzato nella preparazione di GIC a base di cloruri metallici.
Vantaggi: Il prodotto di sintesi presenta una buona stabilità, è facile da lavare, richiede un dispositivo di reazione semplice, una bassa temperatura di reazione e tempi brevi, risultando adatto alla produzione su larga scala.
Svantaggi: è difficile controllare la struttura e la composizione dell'ordine del prodotto durante il processo di reazione, ed è difficile garantire la coerenza della struttura e della composizione dell'ordine del prodotto nella sintesi di massa.
Il metodo pressurizzato consiste nel miscelare una matrice di grafite con polvere di metalli alcalino-terrosi e di terre rare e farla reagire per produrre M-GICS in condizioni di pressione.
Svantaggi: La reazione di inserimento può avvenire solo quando la pressione di vapore del metallo supera una certa soglia; tuttavia, la temperatura è troppo elevata, il che può facilmente causare la formazione di carburi tra metallo e grafite, con conseguente reazione negativa, pertanto la temperatura di reazione deve essere regolata entro un certo intervallo. La temperatura di inserimento dei metalli delle terre rare è molto elevata, quindi è necessario applicare pressione per ridurre la temperatura di reazione. Questo metodo è adatto alla preparazione di GICS metallici con basso punto di fusione, ma l'apparecchiatura è complessa e i requisiti operativi sono rigorosi, quindi è raramente utilizzato al giorno d'oggi.
Il metodo esplosivo utilizza generalmente grafite e un agente espansivo come KClO4, Mg(ClO4)2·nH2O, Zn(NO3)2·nH2O o miscele preparate. Quando viene riscaldata, la grafite subisce simultaneamente un'ossidazione e una reazione di intercalazione con composti di cambio, che vengono poi espansi in modo "esplosivo", ottenendo così grafite espansa. Quando si utilizza un sale metallico come agente espansivo, il prodotto è più complesso e non contiene solo grafite espansa, ma anche metallo.
