Метод химического окисления является традиционным методом получения расширяемого графита. При этом природный чешуйчатый графит смешивают с соответствующим окислителем и интеркалирующим агентом, поддерживают определённую температуру, постоянно перемешивают, промывают, фильтруют и сушат для получения расширяемого графита. Метод химического окисления стал относительно зрелым методом в промышленности благодаря таким преимуществам, как простота оборудования, удобство эксплуатации и низкая стоимость.
Стадии процесса химического окисления включают окисление и интеркаляцию. Окисление графита является основным условием для образования вспениваемого графита, поскольку то, сможет ли реакция интеркаляции протекать гладко, зависит от степени открытия между слоями графита. Природный графит при комнатной температуре обладает превосходной стабильностью и устойчивостью к кислотам и щелочам, поэтому он не реагирует с кислотами и щелочами, поэтому добавление окислителя стало необходимым ключевым компонентом в химическом окислении.
Существует множество видов окислителей. Обычно используются твёрдые окислители (например, перманганат калия, дихромат калия, оксид хрома, хлорат калия и т. д.), а также некоторые жидкие окислители (например, перекись водорода, азотная кислота и т. д.). В последние годы установлено, что перманганат калия является основным окислителем, используемым при получении вспениваемого графита.
Под действием окислителя графит окисляется, и нейтральные макромолекулы сетки в графитовом слое превращаются в плоские макромолекулы с положительным зарядом. Благодаря отталкивающему эффекту того же положительного заряда расстояние между графитовыми слоями увеличивается, что обеспечивает канал и пространство для плавного проникновения интеркалятора в графитовый слой. При получении вспениваемого графита интеркалирующим агентом в основном является кислота. В последние годы исследователи используют в основном серную, азотную, фосфорную, хлорную, смешанную и ледяную уксусную кислоты.
Электрохимический метод заключается в постоянном токе, с водным раствором вставки в качестве электролита, графит и металлические материалы (материал из нержавеющей стали, платиновая пластина, свинцовая пластина, титановая пластина и т. д.) образуют композитный анод, металлические материалы, вставленные в электролит в качестве катода, образуя замкнутый контур; или графит, взвешенный в электролите, в электролите одновременно вставлен в отрицательную и положительную пластину, через два электрода подается напряжение методом анодного окисления. Поверхность графита окисляется до карбкатиона. В то же время под совместным действием электростатического притяжения и диффузии разности концентраций ионы кислоты или другие полярные интеркалирующие ионы внедряются между слоями графита, образуя расширяемый графит.
По сравнению с методом химического окисления, электрохимический метод получения расширяемого графита во всем процессе без использования окислителя, объем обработки большой, остаточное количество коррозионных веществ мало, электролит может быть переработан после реакции, количество кислоты сокращается, экономятся затраты, уменьшается загрязнение окружающей среды, повреждение оборудования невелико, а срок службы увеличивается. В последние годы электрохимический метод постепенно стал предпочтительным методом получения расширяемого графита многими предприятиями, имея много преимуществ.
Метод газофазной диффузии заключается в получении расширяемого графита путем контакта интеркалятора с графитом в газообразной форме и реакции интеркаляции. Обычно графит и вставка размещаются на обоих концах термостойкого стеклянного реактора, а вакуум откачивается и герметизируется, поэтому его также называют двухкамерным методом. Этот метод часто используется для синтеза галогенида -EG и щелочного металла -EG в промышленности.
Преимущества: можно контролировать структуру и порядок работы реактора, а также легко разделять реагенты и продукты.
Недостатки: устройство для проведения реакции сложнее, эксплуатация сложнее, поэтому выход ограничен, реакция должна проводиться при высоких температурах, время реакции больше, условия реакции очень жесткие, среда подготовки должна быть вакуумной, поэтому стоимость производства относительно высока, не подходит для крупномасштабного производства.
Метод смешанной жидкой фазы заключается в непосредственном смешивании вводимого материала с графитом под защитой инертного газа или герметичной системы для проведения реакции нагревания с получением расширяемого графита. Он широко используется для синтеза межслойных соединений щелочных металлов с графитом (GIC).
Преимущества: Процесс реакции прост, скорость реакции высока, путем изменения соотношения графитового сырья и вставок можно достичь определенной структуры и состава расширяемого графита, более подходящего для массового производства.
Недостатки: образующийся продукт нестабилен, сложно бороться со свободным внедренным веществом, прикрепленным к поверхности СИЦ, и трудно обеспечить постоянство межпластинчатых соединений графита при большом количестве синтезов.
Метод плавления заключается в смешивании графита с интеркалирующим материалом и нагревании для получения расширяемого графита. Основанный на том факте, что эвтектические компоненты могут понизить температуру плавления системы (ниже температуры плавления каждого компонента), этот метод используется для получения тройных или многокомпонентных ИСГ путем одновременного введения двух или более веществ (которые должны быть способны образовывать расплавленную солевую систему) между слоями графита. Обычно используется при получении хлоридов металлов - ИСГ.
Преимущества: продукт синтеза обладает хорошей стабильностью, легко промывается, простое реакционное устройство, низкая температура реакции, короткое время, подходит для крупномасштабного производства.
Недостатки: сложно контролировать структуру порядка и состав продукта в процессе реакции, сложно обеспечить постоянство структуры порядка и состава продукта при массовом синтезе.
Метод под давлением заключается в смешивании графитовой матрицы с порошком щелочноземельного и редкоземельного металла и проведении реакции для получения M-GICS в условиях давления.
Недостатки: реакция внедрения может быть осуществлена только тогда, когда давление паров металла превышает определенный порог; однако температура слишком высока, легко приводит к образованию карбидов металла и графита, отрицательной реакции, поэтому температуру реакции необходимо регулировать в определенном диапазоне. Температура внедрения редкоземельных металлов очень высока, поэтому для снижения температуры реакции необходимо применять давление. Этот метод подходит для получения металлов-СИГИ с низкой температурой плавления, но устройство сложное, а требования к эксплуатации строгие, поэтому в настоящее время он используется редко.
Взрывной метод обычно использует графит и вспенивающий агент, такой как пирропирофосфат KClO4, Mg(ClO4)2·nH2O, Zn(NO3)2·nH2O или приготовленные смеси. При нагревании графит одновременно окисляется и интеркалируется в камбиевое соединение, которое затем вспенивается «взрывным» способом, таким образом получая вспененный графит. При использовании в качестве вспенивающего агента соли металла продукт получается более сложным, в котором содержится не только вспененный графит, но и металл.
