Введение

Обратимая инсерция иона в материал с слоистой структурой. В химии интеркаляция – это обратимое включение или внедрение молекулы (или иона) в материалы с слоистой структурой. Примеры можно найти в графите и дихалькогенидах переходных металлов.

Графит

Один из известных интеркаляционных хозяев — графит, который интеркалирует калий в качестве гостя. Интеркаляция расширяет ван-дер-ваальсов зазор между слоями, что требует энергии. Обычно эта энергия обеспечивается переносом заряда между гостем и твердым веществом-хозяином, то есть окислительно-восстановительной реакцией. Два соединения графита с калием — KC8 и KC24. Фториды углерода (например, (CF)x и (C4F)) получают реакцией фтора с графитовым углеродом. Цвет может быть сероватым, белым или желтым. Связь между атомами углерода и фтора ковалентная, поэтому фтор не интеркалируется. Такие материалы рассматривались в качестве катода в различных литиевых батареях. Обработка графита сильными кислотами в присутствии окислителей приводит к его окислению. Графит-бисульфат [C24]+[HSO4]− получают таким способом, используя серную кислоту и небольшое количество азотной или хромовой кислоты. Аналогичный перхлорат графита можно получить подобным образом реакцией с перхлорной кислотой.

Литий-ионные аккумуляторы

Одно из самых масштабных и разнообразных применений процесса интеркаляции к началу 2020-х годов – это литий-ионное электрохимическое накопление энергии в батареях, используемых в широком спектре портативных электронных устройств, средств передвижения, электромобилей и аккумуляторных станций большой мощности. К 2023 году все коммерчески доступные литий-ионные ячейки используют интеркаляционные соединения в качестве активных материалов, и в большинстве из них они применяются как в катоде, так и в аноде в физической структуре батареи. В 2012 году три исследователя – Гуденеф, Язами и Ёсино – были удостоены медали IEEE 2012 года за технологии в области экологии и безопасности за разработку литий-ионной батареи с интеркаляцией, а впоследствии Гуденеф, Уиттингем и Ёсино были награждены Нобелевской премией по химии в 2019 году «за разработку литий-ионных батарей».

Эксфолирование

Крайним случаем интеркаляции является полное разделение слоев материала. Этот процесс называется эксфолиацией. Как правило, для этого требуются жесткие условия, включающие высокополярные растворители и агрессивные реагенты.

Связанные материалы

В биохимии интеркалация – это внедрение молекул между основаниями ДНК. Этот процесс используется как метод анализа ДНК, а также лежит в основе некоторых видов отравлений. Клатраты – это химические вещества, состоящие из кристаллической решетки, которая захватывает или заключает в себе молекулы. Обычно клатратные соединения полимерны и полностью охватывают молекулу-гость. Соединения включения часто представляют собой молекулы, в то время как клатраты обычно полимерны. Интеркаляционные соединения не являются трехмерными, в отличие от клатратных соединений. Согласно IUPAC, клатраты – это "соединения включения, в которых молекула-гость находится в полости, образованной молекулой-хозяином или кристаллической решеткой молекул-хозяев".