O método de oxidação química é um método tradicional para a preparação de grafite expansível. Nesse método, o grafite natural em flocos é misturado com um oxidante e um agente intercalante apropriados, mantido a uma temperatura controlada, sob agitação constante, e posteriormente lavado, filtrado e seco para obtenção do grafite expansível. O método de oxidação química tornou-se um método relativamente consolidado na indústria, apresentando como vantagens a simplicidade dos equipamentos, a facilidade de operação e o baixo custo.
As etapas do processo de oxidação química incluem oxidação e intercalação. A oxidação do grafite é a condição básica para a formação de grafite expansível, pois o sucesso da reação de intercalação depende do grau de abertura entre as camadas de grafite. O grafite natural à temperatura ambiente apresenta excelente estabilidade e resistência a ácidos e álcalis, não reagindo com essas substâncias. Portanto, a adição de um oxidante tornou-se um componente essencial na oxidação química.
Existem muitos tipos de oxidantes, sendo os oxidantes sólidos geralmente utilizados (como permanganato de potássio, dicromato de potássio, trióxido de cromo, clorato de potássio, etc.), podendo também ser utilizados oxidantes líquidos (como peróxido de hidrogênio, ácido nítrico, etc.). Nos últimos anos, constatou-se que o permanganato de potássio é o principal oxidante utilizado na preparação de grafite expansível.
Sob a ação de um agente oxidante, o grafite é oxidado e as macromoléculas neutras da rede na camada de grafite tornam-se macromoléculas planas com carga positiva. Devido ao efeito repulsivo das cargas positivas iguais, a distância entre as camadas de grafite aumenta, o que proporciona um canal e espaço para a entrada suave do agente intercalante na camada de grafite. No processo de preparação do grafite expansível, o agente intercalante é principalmente um ácido. Nos últimos anos, os pesquisadores têm utilizado principalmente ácido sulfúrico, ácido nítrico, ácido fosfórico, ácido perclórico, ácidos mistos e ácido acético glacial.
O método eletroquímico consiste em utilizar corrente constante, com a solução aquosa do inserto como eletrólito, sendo o grafite e materiais metálicos (aço inoxidável, platina, chumbo, titânio, etc.) constituídos como ânodo composto. Os materiais metálicos inseridos no eletrólito atuam como cátodo, formando um circuito fechado. Alternativamente, o grafite é suspenso no eletrólito, com placas positivas e negativas inseridas simultaneamente no mesmo. Através da energização dos dois eletrodos, ocorre a oxidação anódica. A superfície do grafite é oxidada a carbocátions. Simultaneamente, sob a ação combinada da atração eletrostática e da difusão por diferença de concentração, íons ácidos ou outros íons intercalantes polares se incorporam entre as camadas de grafite, formando grafite expansível.
Comparado ao método de oxidação química, o método eletroquímico para a preparação de grafite expansível dispensa o uso de oxidantes em todo o processo, permite o tratamento de grandes quantidades de material, gera pouca quantidade de resíduos corrosivos, possibilita a reciclagem do eletrólito após a reação, reduz a quantidade de ácido necessária, diminui os custos, minimiza a poluição ambiental, minimiza os danos aos equipamentos e prolonga a vida útil. Nos últimos anos, o método eletroquímico tem se tornado o método preferido de muitas empresas para a preparação de grafite expansível, devido às suas inúmeras vantagens.
O método de difusão em fase gasosa consiste em produzir grafite expansível através do contato do intercalador com o grafite em estado gasoso e da reação de intercalação. Geralmente, o grafite e o inserto são colocados em extremidades opostas de um reator de vidro resistente ao calor, e o vácuo é induzido e o reator selado, sendo por isso também conhecido como método de duas câmaras. Este método é frequentemente utilizado na indústria para a síntese de haletos de grafite expansível (EG) e metais alcalinos.
Vantagens: a estrutura e a ordem do reator podem ser controladas, e os reagentes e produtos podem ser facilmente separados.
Desvantagens: o dispositivo de reação é mais complexo, a operação é mais difícil, portanto a produção é limitada, e a reação precisa ser realizada em condições de alta temperatura, o tempo é maior e as condições de reação são muito rigorosas, o ambiente de preparação precisa ser a vácuo, portanto o custo de produção é relativamente alto, não sendo adequado para aplicações de produção em larga escala.
O método de mistura em fase líquida consiste em misturar diretamente o material inserido com grafite, sob a proteção da mobilidade de um gás inerte ou em um sistema selado para aquecimento da reação, a fim de preparar grafite expansível. É comumente utilizado na síntese de compostos interlaminares de grafite e metal alcalino (CIGs).
Vantagens: O processo de reação é simples, a velocidade de reação é rápida e, alterando a proporção de matérias-primas de grafite e inserções, é possível obter uma determinada estrutura e composição de grafite expansível, mais adequada para produção em massa.
Desvantagens: O produto formado é instável, é difícil lidar com a substância livre inserida na superfície dos CIVs e é difícil garantir a consistência dos compostos interlamelares de grafite quando se realiza uma síntese em grande escala.
O método de fusão consiste em misturar grafite com material intercalante e aquecer para preparar grafite expansível. Baseado no fato de que componentes eutéticos podem reduzir o ponto de fusão do sistema (abaixo do ponto de fusão de cada componente), é um método para a preparação de CIGs ternários ou multicomponentes, inserindo duas ou mais substâncias (que devem ser capazes de formar um sistema de sal fundido) entre as camadas de grafite simultaneamente. Geralmente utilizado na preparação de cloretos metálicos - CIGs.
Vantagens: O produto sintetizado apresenta boa estabilidade, é fácil de lavar, requer um dispositivo de reação simples, opera em baixa temperatura e em curto tempo, sendo adequado para produção em larga escala.
Desvantagens: é difícil controlar a estrutura e a composição do produto durante o processo de reação, e é difícil garantir a consistência da estrutura e da composição do produto na síntese em massa.
O método pressurizado consiste em misturar uma matriz de grafite com pó de metal alcalino-terroso e metal de terras raras e reagir para produzir M-GICS sob condições de pressão.
Desvantagens: A reação de inserção só pode ocorrer quando a pressão de vapor do metal ultrapassa um determinado limite; no entanto, temperaturas muito altas podem facilmente causar a formação de carbonetos entre o metal e o grafite, resultando em uma reação indesejável. Portanto, a temperatura da reação deve ser controlada dentro de uma faixa específica. A temperatura de inserção de metais de terras raras é muito alta, sendo necessário aplicar pressão para reduzi-la. Este método é adequado para a preparação de compósitos metal-grafite com baixo ponto de fusão, mas o equipamento é complexo e os requisitos operacionais são rigorosos, o que faz com que seu uso seja raro atualmente.
O método explosivo geralmente utiliza grafite e um agente expansor, como KClO4, Mg(ClO4)2·nH2O, Zn(NO3)2·nH2O, piropiroxênio ou misturas preparadas. Quando aquecido, o grafite sofre simultaneamente oxidação e reação de intercalação com o composto cambial, expandindo-se de forma "explosiva" e resultando em grafite expandido. Quando um sal metálico é usado como agente expansor, o produto é mais complexo, contendo não apenas grafite expandido, mas também metal.
