Способ получения интеркалированного графита
Владельцы патента RU 2427532:
Институт новых углеродных материалов и технологий (Закрытое акционерное общество) (ИНУМиТ (ЗАО)) (RU)
Государственное учебно-научное учреждение Химический факультет Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (Химический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова) (RU)
Изобретение относится к химической промышленности и может быть использовано для получения графитовой фольги, адсорбентов, термостойких подложек для катализаторов. Исходный порошкообразный графит обрабатывают при комнатной температуре и постоянном перемешивании раствором тонко измельченного оксида кобальта Со3O4 в концентрированной серной кислоте и выдерживают в течение 2-24 часов. Полученное интеркалированное соединение графита отфильтровывают от раствора, подвергают гидролизу, промывают дистиллированной водой, а затем сушат при температуре 60-80°С. Изобретение позволяет получить композиционный материал с варьируемым содержанием оксида кобальта Со3O4 в окисленном графите и пенографите. 1 табл.
Изобретение относится к технологии получения интеркалированного графита, который может быть использован в качестве компонента огнезащитных материалов, а также для производства термически расширенного графита (пенографита), применяемого для изготовления гибкой графитовой фольги, адсорбентов, термостойких подложек для катализаторов и др.
Интеркалированные соединения графита (ИСГ) обладают регулярной слоистой структурой, высокой анизотропией свойств, а также возможностью вариации составов интеркалированного слоя. Наиболее известны акцепторные интеркалированные соединения с сильными кислотами (серной кислотой) Н2SO4 и (азотной кислотой) НNО3, на основе которых получают такие углеродные материалы, как окисленный графит (ОГ), пенографит (ПГ) и различные композиты многофункционального назначения. Обе кислоты принципиально важны для технологии, однако азотная кислота является самовнедряющимся агентом, для интеркалирования серной кислоты необходимо использование дополнительного окислителя.
Одним из основных методов синтеза интеркалированных соединений графита (ИСГ) является жидкофазный, подразумевающий химическую обработку графита в окислительном растворе кислоты. Природа окислительного агента в значительной мере определяет возможность и глубину протекания реакции внедрения (номер ступени ИСГ). Химическая модель образования интеркалированных соединений графита предполагает осуществление сопряженных реакций окисления и внедрения
Известны способы получения интеркалированного графита посредством обработки порошка природного графита смесью серной кислоты и различных окислителей - азотной кислоты, персульфата аммония, перманганата калия, бихромата калия и др. с последующей промывкой водой и сушкой (например, заявка JP 85-264316, С01В 31/04, 1985; SU 1765114, С01В 31/04, 1992; SU 1747382, С01В 31/04, 1992; SU 767023, С01В 31/04, 1980; RU 2070539, С01В 31/04, 1996).
Наиболее близким способом получения окисленного графита является способ, при котором исходный порошкообразный графит обрабатывают окислительным раствором аммонийной селитры в концентрированной серной кислоте, образовавшийся бисульфат графита отделяют от окислительного раствора, гидролизуют, промывают и сушат (RU 2089495, С01В 31/04, 10.09.1997).
В связи с многообразием областей применения бисульфата графита в зависимости от конечного продукта важной технологической задачей является поиск новых окислителей процесса интеркалирования серной кислоты в графит.
Задачей изобретения является разработка способа получения интеркалированного графита, позволяющего получить композиционный материал с варьируемым содержанием оксида кобальта Со3O4 в окисленном графите и пенографите. В предлагаемом способе оксид кобальта Со3O4 является одновременно и окислителем реакции интеркалирования, и модифицирующей добавкой, что обеспечивает минимальное количество операций.
Поставленная задача решается тем, что в способе получения интеркалированного графита исходный порошкообразный графит обрабатывают при комнатной температуре и постоянном перемешивании раствором тонко измельченного оксида кобальта Со3O4 в концентрированной серной кислоте и выдерживают в течение 2-24 часов, полученное интеркалированное соединение графита отфильтровывают от раствора, подвергают гидролизу и промывают дистиллированной водой и высушивают при температуре 60-80°С.
Оксид кобальта Со3O4, который представлен смесью оксидов CoO и Со2О3, содержит двух- и трехвалентный кобальт и является сильным окислителем, его стандартный редокс-потенциал составляет 1,76 В и достаточен для образования бисульфата графита. Он нерастворим в воде, почти не взаимодействует с минеральными кислотами. Исключение составляет серная кислота, в которой тонко измельченный оксид кобальта Со3O4 медленно растворяется. Сульфат трехвалентного кобальта Co2(SO4)3·18H2O в разбавленной серной кислоте образует зеленый раствор, устойчивый в течение нескольких суток.
Способ получения интеркалированного графита осуществляется следующим образом. Тонко измельченный оксид кобальта Со3O4 растворяют в концентрированной (94%-ной) серной кислоте. Исходный порошкообразный графит обрабатывают полученным окислительным раствором при комнатной температуре и постоянном перемешивании и выдерживают в течение 2-24 часов. Минимальное время образования V ступени (необходимого соединения для получения пенографита с удовлетворительной насыпной плотностью) составляет 2 часа и связано с низкой растворимостью оксида кобальта. Выдерживание более 24 часов не влияет на состав продуктов интеркалирования (номер ступени ИСГ не меняется). Далее полученное интеркалированное соединение графита отфильтровывают от раствора, подвергают гидролизу дистиллированной водой и промывают дистиллированной водой. Полученный интеркалированный графит сушат при температуре 60-80°С. Сушка при температуре ниже 60°С является неэффективной, а при температуре выше 80°С получаемый материал будет терять воду (Н2О), которая является одним из вспенивающих компонентов.
Сущность данного способа поясняется следующими примерами.
Пример 1.
2 г тонко измельченного оксида кобальта Со3O4 растворяли при перемешивании в 5 мл концентрированной (94%-ной) серной кислоты H2SO4. Затем навеску (1 г) графита марки ГСМ обрабатывали полученным окислительным раствором при комнатной температуре и постоянном перемешивании. Через 2 часа образовалась V ступень бисульфата графита с периодом идентичности Iс=21,25 Å, а через сутки наблюдалось образование однофазной III ступени бисульфата графита с периодом идентичности Iс=14,75 Å). Далее интеркалированное соединение графита отфильтровывали от раствора, подвергали гидролизу дистиллированной водой (соотношение 1 г графита:160-200 г Н2O) и промывали дистиллированной водой. Полученный интеркалированный графит высушивали при температуре 60-80°С. Для производства пенографита полученный интеркалированный графит подвергли термической обработке при температуре 1000°С, при этом насыпная плотность полученного пенографита составила 10 г/л. Полученный материал содержал оксид кобальта.
Пример 2.
5 г тонко измельченного оксида кобальта Со3O4 медленно растворяли в 5 мл концентрированной (94%-ной) серной кислоты H2SO4. Затем навеску (1 г) графита марки ГТ обрабатывали полученным окислительным раствором при комнатной температуре и постоянном перемешивании. В результате через сутки образовалась II ступень бисульфата графита с периодом идентичности Iс=11,33 Å. Далее интеркалированное соединение графита отфильтровывали от раствора, подвергали гидролизу дистиллированной водой (соотношение 1 г графита:160-200 г Н2О) и промывали дистиллированной водой. Полученный интеркалированный графит высушивали при температуре 60-80°С. Для производства пенографита полученный интеркалированный графит подвергли термической обработке при температуре 1000°С, при этом насыпная плотность полученного пенографита составила 17 г/л, что связано со значительным содержанием адсорбированного оксида кобальта.
Результаты, полученные по предлагаемому способу, сведены в таблицу, в которой приведены основные параметры способа получения интеркалированного графита посредством обработки порошка природного графита смесью серной кислоты и оксида кобальта Со3O4.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет получать интеркалированный графит с использованием в качестве окислителя оксида кобальта Со3O4 в концентрированной серной кислоте, который может быть применим для получения новых композиционных материалов для мембран, конденсаторов и сорбентов газов и жидкостей и др.
| Таблица 1. | ||||
| No.No. п/п | Удельный расход Со3O4, г на 1 г графита | Ступень бисульфата графита | Время синтеза, ч | Насыпная плотность модифицированного пенографита, г/л |
| 1 | 2 | III | 24 | 10 |
| 2 | 5 | II | 24 | 17 |
| 3 | 10 | II | 5 | 31 |
| 4 | 1 | IV | 10 | 7 |
| 5 | 0,5 | V | 20 | 12 |
Способ получения интеркалированного графита, заключающийся в том, что исходный порошкообразный графит обрабатывают при комнатной температуре и постоянном перемешивании раствором тонко измельченного оксида кобальта Со3O4 в концентрированной серной кислоте и выдерживают в течение 2-24 ч, полученное интеркалированное соединение графита отфильтровывают от раствора, подвергают гидролизу и промывают дистиллированной водой, а затем сушат при температуре 60-80°С.
