膨胀石墨的制备及表面修饰+文献综述(2)
时间:2017-04-24 12:40 来源:毕业论文 作者:毕业论文 点击:次
膨胀石墨是以天然鳞片石墨为原料，一些分子、原子、离子或粒子团在特定条件下插入到石墨层间形成石墨层问化合物，石墨层间化合物在瞬间高温作用下，内部所含插层物质急剧分解气化，剧烈膨胀达数十倍甚至数百倍，形成膨胀石墨[2]。膨胀石墨表观呈蠕虫状，大小一般在零点几毫米到几毫米之间，内部具有发达的网络状孔隙结构[3]。由于膨胀石墨独特的内部结构使其具有很多优异的性能，例如可压缩性，回弹性，柔软性，导热性，耐酸耐碱性等等[4]。现今膨胀石墨作为一种多功能多用途的新型碳材料已经被广泛应用于化工、机械、环保、医学、军事等各个领域[5]。 1.1.2 膨胀石墨形成机理 石墨晶体是两向大分子层状结构，每一平面内的C原子都以C一C共价键相结合，层与层之间以较弱的范德华力相结合。石墨的层状结构十分典型，每一层片是一个碳原子层，层内碳原子之间以sp2杂化轨道成很强的共价键，即1个2s电子和2个2p电子杂化等价的杂化轨道，位于同一平面上，互相形成σ键，而二个未参加杂化的2P电子则垂直于平面，形成二键π[6]。石墨的这种层状结构使得层间存在一定的空间。因此在一定条件下，某些反应物(如酸、碱、卤素)的原子(或单个分子)即可进入层间空隙，并与碳网平面形成层间化合物[7]。这种插有层间化合物的石墨即为可膨胀石墨。碳原子层间以很弱的范德华力相联系，这种结构允许插层物质能够顺利地进入碳原层间而不破坏碳原子层内的优尔角网状结构，因此天然石墨是制备石墨插层化合物最好的母体材料[8]。 天然鳞片石墨晶体具有很好的层状结构，每层内的碳原子均以SP2杂化轨道以0键与邻近的三个碳原子形成牢固的共价键，并排列成优尔角网状平面结构。此外，每个碳原子还以一个P电子形成一个大Ⅱ键，因此平面内碳原子结合的非常牢固。层与层之间的碳原子以微弱的范德华力相结合，这种层状结构使层与层之间具有一定空间[9]。因此在一定条件下，一些离子化势小的碱金属和电子亲和能大的酸，卤素，卤化物等能够插入到石墨层间，使石墨层间失去较活泼的电子而被氧化形成石墨层间化合物[10]，即可膨胀石墨，并在石墨C轴方向形成超点阵。可膨胀石墨在瞬间高温作用下，层间化合物急剧分解和气化，产生一种沿C轴方向的推力，在推力的作用下可膨胀石墨迅速膨胀达数十倍至数百倍[11]。膨胀后的石墨呈蠕虫状，大小在零点几毫米到几毫米之问，内部具有大量独特的网络状微孔结构，被形象的称为石墨蠕虫。 1.1.3 膨胀石墨结构和特性 膨胀石墨是由天然鳞片石墨经过氧化、插层、水洗、干燥、高温膨化一系列过程后得到的一种疏松多孔的蠕虫状物质[12]。膨胀石墨的结构与石墨相比发生了很大的变化，石墨原先的平面层已经明显裂开，产生不均匀的变形，平面层呈卷曲状态。膨胀石墨与天然鳞片石墨相比虽然表观形貌和内部结构都发生了较大的变化，但是其基本晶体结构仍然是由许多石墨微晶组成，微晶层间距与天然石墨接近[13]。膨胀石墨的孔隙结构分为四级。从宏观结构上看，一个膨胀石墨颗粒是由成百个小微胞排列组成的。在垂直于C轴平面内，分布有几个到十几个小微胞。典型的微胞呈无规则的椭球形，其尺寸在几十到几百个μm级别。从微观结上看，微胞内又有许多细小孔隙，形成了膨胀石墨丰富的孔隙结构。膨胀石墨的孔由粒子之间和粒子内部的网络状孔洞构成，与活性炭相比，膨胀石墨主要以大孔和中孔为主，包括表面孔和内部孔[14]。 膨胀石墨有着丰富的孔隙结构，因而被广泛的用于吸附各类物质，特别是有机类物质。石墨蠕虫的孔隙结构可以分为四级，孔径从几nm到几百μm，孔的形状为占多数的开放孔和占少数的闭合孔。膨胀石墨的四级孔隙结构对物质的吸附机理不同：一级孔为v型开放孔，尺寸从几十μm到几百μm，孔容积大，但比表面积小，在吸附油类物质过程中起重要作用，同时膨胀石墨蠕虫相互缠绕所形成的空间中也可储存大量的粘性物质，如重油等；二级孔结构为亚片层间柳叶形孔，横向相互贯通，尺寸从几μm到几十μm，由于二级孔在数量上占优，所以在对重油类粘性物质的吸附中起重要的作用，另外随着二级孔比表面积的增加，解吸时所残留的粘性物质也较一级孔多；三级孔为亚片层内多边形孔，取向无规，呈相互贯通的网络状，尺寸在0.1μm到1μm之间，由于 (责任编辑：qin) |