Metoda utleniania chemicznego to tradycyjna metoda otrzymywania grafitu ekspandowalnego. W tej metodzie naturalny grafit płatkowy miesza się z odpowiednim utleniaczem i interkalatorem, utrzymuje odpowiednią temperaturę, stale miesza, a następnie przemywa, filtruje i suszy, aby uzyskać grafit ekspandowalny. Metoda utleniania chemicznego stała się stosunkowo dojrzałą metodą w przemyśle, charakteryzującą się prostotą sprzętu, wygodą obsługi i niskim kosztem.
Etapy procesu chemicznego utleniania obejmują utlenianie i interkalację. Utlenianie grafitu jest podstawowym warunkiem powstawania grafitu ekspandowalnego, ponieważ to, czy reakcja interkalacji może przebiegać bez zakłóceń, zależy od stopnia otwarcia między warstwami grafitu. Naturalny grafit w temperaturze pokojowej charakteryzuje się doskonałą stabilnością oraz odpornością na kwasy i zasady, dlatego nie reaguje z kwasami i zasadami. Dlatego dodanie utleniacza stało się kluczowym elementem chemicznego utleniania.
Istnieje wiele rodzajów utleniaczy. Zazwyczaj stosuje się utleniacze stałe (takie jak nadmanganian potasu, dwuchromian potasu, trójtlenek chromu, chloran potasu itp.), ale mogą to być również utleniacze ciekłe (takie jak nadtlenek wodoru, kwas azotowy itp.). W ostatnich latach odkryto, że nadmanganian potasu jest głównym utleniaczem używanym do produkcji grafitu ekspandowalnego.
Pod wpływem utleniacza grafit ulega utlenieniu, a neutralne makrocząsteczki sieciowe w warstwie grafitu stają się płaskimi makrocząsteczkami o ładunku dodatnim. W wyniku odpychającego efektu tych samych ładunków dodatnich, odległość między warstwami grafitu wzrasta, co tworzy kanał i przestrzeń dla płynnego wnikania interkalatora w warstwę grafitu. W procesie otrzymywania grafitu ekspandowalnego, czynnikiem interkalującym jest głównie kwas. W ostatnich latach badacze wykorzystują głównie kwas siarkowy, azotowy, fosforowy, nadchlorowy, kwas mieszany i lodowaty kwas octowy.
Metoda elektrochemiczna polega na zastosowaniu stałego prądu, z wodnym roztworem wkładki jako elektrolitem, grafitem i materiałami metalowymi (stal nierdzewna, platynowa, ołowiana, tytanowa itp.) stanowiącymi anodę kompozytową, przy czym materiały metalowe są wprowadzane do elektrolitu jako katoda, tworząc zamkniętą pętlę. Alternatywnie grafit zawieszony w elektrolicie jest wprowadzany do elektrody ujemnej i dodatniej, a następnie przez dwie elektrody są one zasilane energią, metodą anodowego utleniania. Powierzchnia grafitu jest utleniana do karbokationu. Jednocześnie, pod wpływem połączonego oddziaływania przyciągania elektrostatycznego i dyfuzji różnic stężeń, jony kwasowe lub inne polarne jony interkalacyjne są osadzane między warstwami grafitu, tworząc ekspandowalny grafit.
W porównaniu z metodą utleniania chemicznego, metoda elektrochemiczna przygotowywania grafitu ekspandowalnego w całym procesie bez użycia utleniacza charakteryzuje się dużą ilością poddanego obróbce materiału, niewielką ilością resztkowych substancji korozyjnych, możliwością recyklingu elektrolitu po reakcji, zmniejszeniem ilości kwasu, oszczędnością kosztów, zmniejszeniem zanieczyszczenia środowiska, mniejszym ryzykiem uszkodzenia sprzętu i wydłużeniem żywotności. W ostatnich latach metoda elektrochemiczna stała się stopniowo preferowaną metodą przygotowywania grafitu ekspandowalnego przez wiele przedsiębiorstw, oferując wiele zalet.
Metoda dyfuzji w fazie gazowej polega na wytwarzaniu ekspandowalnego grafitu poprzez kontakt interkalatora z grafitem w formie gazowej i reakcję interkalacyjną. Zazwyczaj grafit i wkładka umieszczane są na obu końcach żaroodpornego szklanego reaktora, a następnie wytwarzana jest próżnia i uszczelniana, dlatego metoda ta jest również znana jako metoda dwukomorowa. Metoda ta jest często stosowana w przemyśle do syntezy halogenku -EG i metalu alkalicznego -EG.
Zalety: możliwa jest kontrola struktury i kolejności reaktora, a także łatwe rozdzielanie substratów i produktów.
Wady: urządzenie reakcyjne jest bardziej skomplikowane, obsługa jest trudniejsza, a zatem wydajność jest ograniczona, a reakcja musi być przeprowadzana w warunkach wysokiej temperatury, czas jest dłuższy, a warunki reakcji są bardzo wysokie, środowiskiem przygotowawczym musi być próżnia, więc koszty produkcji są stosunkowo wysokie, nie nadaje się do zastosowań produkcyjnych na dużą skalę.
Metoda mieszanej fazy ciekłej polega na bezpośrednim mieszaniu włożonego materiału z grafitem, pod ochroną ruchliwości gazu obojętnego lub uszczelnieniu, co umożliwia reakcję nagrzewania w celu uzyskania ekspandowalnego grafitu. Jest ona powszechnie stosowana do syntezy związków międzywarstwowych metalu alkalicznego i grafitu (GIC).
Zalety: Proces reakcji jest prosty, szybkość reakcji jest duża, poprzez zmianę proporcji surowców grafitowych i wkładek można osiągnąć określoną strukturę i skład ekspandowalnego grafitu, bardziej odpowiedniego do produkcji masowej.
Wady: Powstały produkt jest niestabilny, trudno jest poradzić sobie z wolną substancją wstawioną do powierzchni GIC, a także trudno jest zapewnić spójność międzywarstwowych związków grafitu w przypadku dużej liczby syntez.
Metoda topienia polega na zmieszaniu grafitu z materiałem interkalującym i podgrzaniu w celu przygotowania grafitu ekspandowalnego. Wykorzystując fakt, że składniki eutektyczne mogą obniżyć temperaturę topnienia układu (poniżej temperatury topnienia każdego składnika), jest to metoda otrzymywania trójskładnikowych lub wieloskładnikowych grafitów krystalicznych (GIC) poprzez jednoczesne wprowadzanie dwóch lub więcej substancji (które muszą być w stanie utworzyć układ soli stopionych) pomiędzy warstwy grafitu. Metoda ta jest powszechnie stosowana przy opracowywaniu chlorków metali – GIC.
Zalety: Produkt syntezy charakteryzuje się dobrą stabilnością, łatwością mycia, prostym urządzeniem reakcyjnym, niską temperaturą reakcji, krótkim czasem trwania, nadaje się do produkcji na dużą skalę.
Wady: trudno jest kontrolować strukturę uporządkowaną i skład produktu w procesie reakcji, a także trudno jest zapewnić spójność struktury uporządkowanej i składu produktu w syntezie masowej.
Metoda ciśnieniowa polega na zmieszaniu matrycy grafitowej z proszkiem metalu ziem alkalicznych i metalu ziem rzadkich, a następnie reakcji w celu wytworzenia M-GICS pod ciśnieniem.
Wady: Reakcja wtłaczania może zostać przeprowadzona tylko wtedy, gdy ciśnienie pary metalu przekroczy określony próg. Jednak temperatura jest zbyt wysoka, co ułatwia tworzenie węglików metalu i grafitu, czyli reakcję ujemną, dlatego temperaturę reakcji należy regulować w określonym zakresie. Temperatura wtłaczania metali ziem rzadkich jest bardzo wysoka, dlatego należy zastosować ciśnienie, aby obniżyć temperaturę reakcji. Metoda ta nadaje się do przygotowywania metalicznych GICS o niskiej temperaturze topnienia, ale urządzenie jest skomplikowane, a wymagania operacyjne są rygorystyczne, dlatego obecnie jest rzadko stosowane.
Metoda wybuchowa zwykle wykorzystuje grafit i środek rozprężający, taki jak KClO4, Mg(ClO4)2·nH2O, Zn(NO3)2·nH2O piropirozyna lub mieszanki przygotowane w taki sposób, że po podgrzaniu grafit ulega jednoczesnemu utlenianiu i interkalacji tworząc związek kambium, który następnie rozpręża się w sposób „wybuchowy”, otrzymując w ten sposób rozprężony grafit. Gdy jako środek rozprężający stosuje się sól metalu, produkt jest bardziej złożony i zawiera nie tylko rozprężony grafit, ale także metal.
