Введение
В области химии твердого тела соединения интеркаляции графита – это материалы, получаемые путем внедрения различных веществ между слоями графита. Эти материалы имеют формулу (вещество)Cn, где n может изменяться от 8 до 40 и более. Введение веществ значительно увеличивает расстояние между углеродными слоями. Распространенными внедряемыми веществами являются восстановители, такие как щелочные металлы. Сильные окислители, например, пентафторид мышьяка, также способны внедряться в графит. Интеркаляция сопровождается переносом электронов в графит или от него. Свойства этих материалов отличаются от свойств исходного графита.
Графит бисульфат, перхлорат, гексафторарсенаты: окисленные углероды
Соединения интеркаляции бисульфат графита и перхлорат графита могут быть получены путем обработки графита сильными окислителями в присутствии сильных кислот. В отличие от графитов калия и кальция, в этом процессе окисляются слои углерода: 48 C + 0,25 O2 + 3 H2SO4 → [C24]+[HSO4]−·2H2SO4 + 0,5 H2O. В перхлорате графита плоские слои атомов углерода расположены на расстоянии 794 пикометров друг от друга, разделенные ионами ClO4−. Катодное восстановление перхлората графита аналогично нагреванию KC8, что приводит к последовательному высвобождению HClO4. Как бисульфат графита, так и перхлорат графита являются лучшими проводниками по сравнению с графитом, что предсказывается на основе механизма положительных дырок. Реакция графита с [O2]+[AsF6]− приводит к образованию соли [C8]+[AsF6]−. Эта система оказалась особенно удобной для изучения фазовых переходов. Интеркаляционные магнитные соединения графита стадии n содержат n графитовых слоев, разделяющих последовательные магнитные слои. С увеличением числа стадий взаимодействие между спинами в последовательных магнитных слоях ослабевает, и может возникнуть двухмерное магнитное поведение.
48 C + 0.25 O2 + 3 H2SO4 → [C24]+[HSO4]−·2H2SO4 + 0.5 H2O
In graphite perchlorate, planar layers of carbon atoms are 794 picometers apart, separated by |ClO4− ions. Cathodic reduction of graphite perchlorate is analogous to heating |KC8, which leads to a sequential elimination of |HClO4. Both graphite bisulfate and graphite perchlorate are better conductors as compared to graphite, as predicted by using a positive hole mechanism. Reaction of graphite with |[O2]+[AsF6]− affords the salt |[C8]+[AsF6]−. It proved to be a particularly fertile system on which to study phase transitions. A stage n magnetic graphite intercalation compounds has n graphite layers separating successive magnetic layers. As the stage number increases the interaction between spins in successive magnetic layers becomes weaker and 2D magnetic behaviour may arise.
Соединения галогена и оксида графита
Хлор и бром обратимо интеркалируют в графит. Йод – нет. Фтор реагирует необратимо. В случае брома известны следующие стехиометрии: |CₙBr для n = 8, 12, 14, 16, 20 и 28. Поскольку он образуется необратимо, монофторид углерода часто не классифицируется как интеркалационное соединение. Его формула – |(CF)ₓ|. Он получается при реакции газообразного фтора с графитовым углеродом при температуре 215–230 °C. Цвет – сероватый, белый или жёлтый. Связь между атомами углерода и фтора ковалентная. Тетрауглеродный монофторид (|C₄F|) получают обработкой графита смесью фтора и фтористого водорода при комнатной температуре. Соединение имеет чёрно-синий цвет. Монофторид углерода не является электропроводящим. Он изучался в качестве катодного материала в одном типе первичных (неперезаряжаемых) литиевых батарей. Оксид графита – нестабильное жёлтое твёрдое вещество.
Свойства и применения
Соединения интеркаляции графита уже много лет привлекают внимание материаловедов благодаря своим разнообразным электронным и электрическим свойствам.
Сверхпроводность
Среди сверхпроводящих графитовых интеркаляционных соединений, CaC6 демонстрирует самую высокую критическую температуру Tc = 11,5 K, которая дополнительно возрастает под воздействием давления (15,1 K при 8 ГПа). Анализ чистого CaC6 с использованием высококачественного ультрафиолетового излучения позволил провести измерения угловой фотоэмиссионной спектроскопии. Обнаружение сверхпроводящего энергетического зазора в π*-зоне выявило существенный вклад межслойного межзонного взаимодействия π* в общую силу электрон-фононного взаимодействия. Другое соединение графита калия, KC24, используется в качестве нейтронного монохроматора. Новое важное применение графита калия появилось с изобретением калий-ионного аккумулятора. Подобно литий-ионному аккумулятору, калий-ионный аккумулятор должен использовать углеродный анод вместо металлического. В этой связи стабильная структура графита калия является важным преимуществом.