O método de oxidação química é um método tradicional para a preparação de grafite expansível. Neste método, a grafite natural em flocos é misturada com oxidante e agente intercalante apropriados, controlada a uma determinada temperatura, agitada constantemente, lavada, filtrada e seca para obter grafite expansível. O método de oxidação química tornou-se um método relativamente maduro na indústria, com as vantagens de equipamento simples, operação conveniente e 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, porque se a reação de intercalação pode prosseguir suavemente depende do grau de abertura entre as camadas de grafite. E o grafite natural em temperatura ambiente tem excelente estabilidade e resistência a ácidos e álcalis, por isso não reage com ácidos e álcalis, portanto, a adição de oxidante se tornou um componente-chave necessário na oxidação química.
Existem muitos tipos de oxidantes. Os oxidantes mais utilizados são os sólidos (como permanganato de potássio, dicromato de potássio, trióxido de crômio, clorato de potássio, etc.), mas também podem ser oxidantes líquidos (como peróxido de hidrogênio, ácido nítrico, etc.). Nos últimos anos, descobriu-se que o permanganato de potássio é o principal oxidante utilizado na preparação de grafite expansível.
Sob a ação do oxidante, a grafite é oxidada e as macromoléculas da rede neutra na camada de grafite tornam-se macromoléculas planas com carga positiva. Devido ao efeito repulsivo da mesma carga positiva, a distância entre as camadas de grafite aumenta, o que proporciona um canal e espaço para que o intercalador penetre suavemente na camada de grafite. No processo de preparação da grafite expansível, o agente intercalante é principalmente ácido. Nos últimos anos, os pesquisadores utilizam principalmente ácido sulfúrico, ácido nítrico, ácido fosfórico, ácido perclórico, ácido misto e ácido acético glacial.
O método eletroquímico utiliza corrente constante, com a solução aquosa do inserto como eletrólito, grafite e materiais metálicos (aço inoxidável, placa de platina, placa de chumbo, placa de titânio, etc.) formando um ânodo composto. Os materiais metálicos são inseridos no eletrólito como cátodo, formando um circuito fechado. Ou então, o grafite é suspenso no eletrólito, inserido simultaneamente nas placas negativa e positiva, através dos dois eletrodos, e é energizado por oxidação anódica. A superfície do grafite é oxidada a carbocátion. Ao mesmo tempo, sob a ação combinada da atração eletrostática e da difusão por diferença de concentração, íons ácidos ou outros íons intercalantes polares são incorporados entre as camadas de grafite, formando grafite expansível.
Comparado com o método de oxidação química, o método eletroquímico para a preparação de grafite expansível em todo o processo sem o uso de oxidante, a quantidade de tratamento é grande, a quantidade residual de substâncias corrosivas é pequena, o eletrólito pode ser reciclado após a reação, a quantidade de ácido é reduzida, o custo é economizado, a poluição ambiental é reduzida, os danos ao equipamento são baixos e a vida útil é estendida. Nos últimos anos, o método eletroquímico se tornou gradualmente o método preferido para preparar grafite expansível por muitas empresas, com muitas vantagens.
O método de difusão em fase gasosa consiste em produzir grafite expansível por meio do contato do intercalador com o grafite na forma gasosa e da reação de intercalação. Geralmente, o grafite e o inserto são colocados em ambas as extremidades do reator de vidro resistente ao calor, e o vácuo é bombeado e selado, por isso também é conhecido como método de duas câmaras. Este método é frequentemente usado para sintetizar haleto -EG e metal alcalino -EG na indústria.
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, então a saída é limitada, e a reação deve ser realizada em condições de alta temperatura, o tempo é maior e as condições de reação são muito altas, o ambiente de preparação deve ser a vácuo, então o custo de produção é relativamente alto, não sendo adequado para aplicações de produção em larga escala.
O método da fase líquida mista consiste em misturar diretamente o material inserido com grafite, sob a proteção da mobilidade de um gás inerte ou de um sistema de selagem, para a reação de aquecimento, a fim de preparar grafite expansível. É comumente utilizado na síntese de compostos interlaminares (CIVs) de metal alcalino-grafite.
Vantagens: O processo de reação é simples, a velocidade de reação é rápida, alterando a proporção de matérias-primas de grafite e inserções, é possível atingir uma certa estrutura e composição de grafite expansível, mais adequada para produção em massa.
Desvantagens: O produto formado é instável, é difícil lidar com a substância inserida livre ligada à superfície dos GICs e é difícil garantir a consistência dos compostos interlamelares de grafite quando há um grande número de sínteses.
O método de fusão consiste em misturar grafite com material intercalante e aquecer para preparar grafite expansível. Com base no fato de que componentes eutéticos podem diminuir o ponto de fusão do sistema (abaixo do ponto de fusão de cada componente), é um método para a preparação de GICs ternários ou multicomponentes pela inserção de duas ou mais substâncias (que devem ser capazes de formar um sistema de sal fundido) entre camadas de grafite simultaneamente. Geralmente usado na preparação de cloretos metálicos - GICs.
Vantagens: O produto de síntese tem boa estabilidade, fácil de lavar, dispositivo de reação simples, baixa temperatura de reação, tempo curto, adequado para produção em larga escala.
Desvantagens: é difícil controlar a estrutura da ordem e a composição do produto no processo de reação, e é difícil garantir a consistência da estrutura da ordem e a composição do produto na síntese em massa.
O método pressurizado consiste em misturar matriz de grafite com pó de metal alcalino-terroso e metal de terras raras e reagir para produzir M-GICS sob condições pressurizadas.
Desvantagens: Somente quando a pressão de vapor do metal excede um certo limite, a reação de inserção pode ser realizada; No entanto, a temperatura é muito alta, fácil de fazer com que o metal e o grafite formem carbonetos, reação negativa, então a temperatura da reação deve ser regulada em uma certa faixa. A temperatura de inserção de metais de terras raras é muito alta, então a pressão deve ser aplicada para reduzir a temperatura da reação. Este método é adequado para a preparação de metal-GICS com baixo ponto de fusão, mas o dispositivo é complicado e os requisitos de operação são rigorosos, por isso raramente é usado agora.
O método explosivo geralmente usa grafite e agentes de expansão, como KClO4, Mg(ClO4)2·nH2O, Zn(NO3)2·nH2O, piropiros ou misturas preparadas. Quando aquecido, o grafite irá oxidar e intercalar simultaneamente o composto de câmbio, que é então expandido de forma "explosiva", obtendo-se assim grafite expandido. Quando o sal metálico é usado como agente de expansão, o produto é mais complexo, não só possui grafite expandido, mas também metal.
