石墨層間化合物
石墨層間化合物（Graphite intercalation compound,縮寫GIC）又稱石墨插層化合物、石墨插層複合物，是由帶正電或負電的離子插入被氧化或還原的石墨層間後形成的具有二維層狀結構的化合物，通式為MCx·δS。式中M表示插入石墨層間的帶電荷離子、S為可能存在的與離子共插層的電中性溶劑分子。[1][2][3][4]
結構
表徵石墨層間化合物的結構，主要是指表徵其層堆疊方向（c軸方向）的參數。其基本結構是由n層石墨烯與一層插層物交替堆疊，稱為n階石墨層間化合物（stage-n GIC，n一般為正整數），其中1階為可能形成的最低階產物。
與其他所有二維層狀物質不同，石墨在插層或脫插層過程中可以連續相變並形成n≥2動力學或熱力學穩定的插層化合物，這一特殊現象被稱做成階（staging）。導致成階現象的原因是石墨烯特有的高度柔性，對應目前最為廣泛接受的Daumas-Hérold模型。
組分
所有鹼金屬及部分鹼土金屬、稀土金屬可以通過固相反應與石墨形成二元1階插層化合物，如鉀、銣、銫的金屬通常為MC8，對於金屬如鋰、鍶、鈣、鋇、銪、鐿，則通式常為XC6。[2]
以鈣為例，CaC6可由石墨與鋰鈣合金在350 °C加熱10天製備。層間距由石墨的3.35 Å擴大到4.52 Å，碳碳鍵長也從石墨的1.42 Å擴大到1.444 Å。在超導石墨層間化合物中，CaC6的臨界轉變溫度最高，達到11.5K。加壓後轉變溫度還可進一步提高（15.1 K在8 GPa時）。[2]
性質
LiC6因鋰離子較小半徑是已知體積膨脹率最小的1階GIC之一，被廣泛應用為商用鋰離子電池的負極材料。充電過程中鋰離子由電解液嵌入負極，放電時脫嵌，從石墨生成LiC6的理論容量為372mAh/g。
KC8是已知最強的還原劑之一。一般在惰性氣體氛圍的保護下以熔融態的金屬鉀還原石墨粉製得，[5][6]或是在真空雙泡管中以加熱擴散的金屬鉀蒸氣還原石墨粉製得，[7]還可以通過電化學法在含鉀離子的電解液中還原石墨電極製備。[8]鉀離子進入石墨層間，顏色由黑色逐漸變藍，最終變為金色的KC8。從結構上來說，相鄰鉀離子的距離是碳骨架六邊形距離的兩倍。碳與鉀之間形成了離子鍵，使得此化合物為良導體。[9] KC8也是超導體，其超導轉變溫度為0.14K。[2]
參考
- ^ M.S. Dresselhaus and G. Dresselhaus Review:. Intercalation compounds of graphite. Advances in Physics. 1981, 30 (2): 139–326. Bibcode:1981AdPhy..30..139D. doi:10.1080/00018738100101367. (187 pages), also reprinted as Dresselhaus, M. S.; Dresselhaus, G. Intercalation compounds of graphite. Advances in Physics. 2002, 51: 1–186. Bibcode:2002AdPhy..51....1D. doi:10.1080/00018730110113644.
- ^ 2.0 2.1 2.2 2.3 N. Emery; et al. Review: Synthesis and superconducting properties of CaC6. Sci. Technol. Adv. Mater. (free download pdf). 2008, 9: 044102. doi:10.1088/1468-6996/9/4/044102.
- ^ H-P Boehm; et al. Nomenclature and terminology of graphite intercalation compounds (PDF). Pure & Appl. Chem. 1994, 66: 1893. （原始內容 (free download pdf)存檔於2012-04-06）.
- ^ D. Savoia; et al. Applications of potassium-graphite and metals dispersed on graphite in organic synthesis (free download pdf). Pure & Appl. Chem. 1985, 57: 1887 [2009-10-15]. （原始內容存檔 (PDF)於2009-09-29）.
- ^ Ottmers, D.M.; Rase, H.F. Potassium graphites prepared by mixed-reaction technique. Carbon. 1966-05, 4 (1): 125–127. doi:10.1016/0008-6223(66)90017-0.
- ^ D. E. Bergbreiter; et al. Reactions of potassium-graphite. J. Am. Chem. Soc. 1978, 100: 2126. doi:10.1021/ja00475a025.
- ^ D. E. Nixon; et al. Formation and structure of the potassium graphites. J. Phys. D Appl. Phys. 291, 1: 2126. doi:10.1088/0022-3727/1/3/303.
- ^ Z. Jian; et al. Carbon electrodes for K-ion batteries. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137: 11566. doi:10.1021/jacs.5b06809.
- ^ NIST Ionizing Radiation Division 2001 - Technical Highlights. [2009-10-15]. （原始內容存檔於2014-11-29）.
延伸閱讀
- M. Endo and M. Suzuki. Graphite intercalation compounds and applications. Oxford University Press. 2003. ISBN 0195128273.
