흑연 중간화합물

Graphite intercalation compound
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칼륨 흑연 KC의8 공간 채우기 모델.

흑연 중간화 화합물(GICs)은 이온 X 또는n+ X를n− 반대방향으로 충전된 탄소층 사이에 삽입(간극화)하는 공식 CX를m 갖는 복잡한 물질이다. 일반적으로 m은 1보다 훨씬 적다.[1][2] 이러한 물질은 잠재적인 용도의 전기적 및 재독스적 특성을 나타내는 진한 색상의 고형분이다.

준비 및 구조

이러한 물질은 강한 산화제 또는 강한 환원제로 흑연을 처리함으로써 준비된다.

C + m X → CXm

그 반응은 되돌릴 수 있다.

호스트(그래피이트)와 게스트 X는 충전 전송으로 상호 작용한다. 유사한 과정이 상업용 리튬이온 배터리의 기본이다.

흑연 중간 혼합물에서 모든 층이 반드시 손님들에 의해 점유되는 것은 아니다. 소위 1단계 화합물에서는 흑연층과 중간계층이 교대하고, 2단계 화합물에서는 객원재료가 없는 두 개의 흑연계층이 교대한다. 실제 구성은 다양할 수 있으며 따라서 이러한 화합물은 비스토리히메트릭 화합물의 한 예다. 무대와 함께 작문을 명기하는 것이 관례다. 그 층들은 게스트 이온의 결합에 따라 분리된다.

예

알칼리 및 알칼리성 접지 유도체

슐렌크 플라스크의 아르곤 아래에 있는 흑연 칼륨. 유리코팅 자석 젓는 막대도 있다.

가장 잘 연구된 흑연 중간화 화합물 중 하나인 KC는8 칼륨을 흑연 가루 위에 녹여 제조한다. 칼륨은 흑연에 흡수되고 물질은 흑연에서 청동으로 색이 바뀐다.[3] 그 결과로 생긴 고체는 화혈성 물질이다.[4] 그 구성은 칼륨에서 칼륨까지의 거리가 탄소 틀에서 육각형 사이의 거리의 2배라고 가정하여 설명한다. 음이온 흑연 층과 칼륨 양이온 사이의 결합은 이온성이다. 물질의 전기전도도가 α-그래파이트보다 크다.[4][5] KC는8 매우 낮은 임계 온도 Tc = 0.14 K의 초전도체로, 가열 KC는8 K 원자가 제거됨에 따라 일련의 분해 생성물이 생성된다.[6][citation needed]

3 KC8 → KC24 + 2 K

중간자 KC24(색상의 파란색)를 통해 KC36, KC는48 궁극적으로 복합 KC60 결과를 얻는다.[3]

M = K, Rb 및 Cs에 대해 스토이치측정 MC가8 관찰된다. 소형 이온 M = Li+, Sr2+, Ba2+, Eu2+, Yb3+, Ca의2+ 경우 제한 스토이치측정법은 MC이다6.[6] 칼슘 흑연 CaC는
6 350°C에서 10일 동안 액체 Li-Ca 합금에 고도로 지향적인 열성 흑연을 담가 얻는다. CaC의
6 결정 구조는 R3m 우주 그룹에 속한다. 흑연 층간 거리는 Ca 간극 시 3.35 ~ 4.524 24이며, 탄소-탄소 거리는 1.42 ~ 1.444 å이다.

CaC의
6 구조

바륨과 암모니아를 사용하면 양이온을 용해하여 스토이치측정법(1단계310.9)2.5 또는 세슘, 수소, 칼륨(1단계)24/38이 있는 것을 제공한다(1단계8).

다른 알칼리 금속과 달리 Na 간염의 양은 매우 적다. 양자-기계적 계산은 이러한 현상이 상당히 일반적인 현상으로부터 발생한다는 것을 보여준다: 알칼리 및 알칼리성 접지 금속 중에서 Na와 Mg는 일반적으로 주기율표의 동일한 그룹에 있는 다른 원소들과 비교하여 주어진 기질에 대한 화학 결합이 가장 약하다.[7] 이 현상은 주기율표의 열 아래쪽에 있는 이온화 에너지와 이온-하향 결합의 경향 사이의 경쟁에서 발생한다.[7] 그러나, 흑연과의 상당한 Na간염은 이온이 공동간염 과정을 통해 용제 껍데기에 싸여 있는 경우에 발생할 수 있다. 복잡한 마그네슘(I) 종도 흑연으로 간질되었다.[8]

흑연 비황산염, 과염소산염, 육불화탄소: 산화탄소

중보정 화합물인 흑연 비황산염과 흑연 과염소산염은 강한 산성이 존재하는 곳에서 강한 산화제로 흑연을 처리함으로써 준비할 수 있다. 칼륨과 칼슘 그래파이트와는 대조적으로 탄소층은 이 과정에서 산화된다: 48 C + 0.252 O + 3 HSO24 → [C24][+HSO4]/−2HSO24 + 0.5 HO2

흑연 과염소산염에서 탄소 원자의 평면층은 794 피코미터 떨어져 있으며, ClO4− 이온으로 분리되어 있다. 흑연 과염소산염의 음극 감소는 가열 KC와8 유사하여 HClO가4 순차적으로 제거된다.

흑연 비황산염과 흑연 과염소산염은 모두 양극 구멍 메커니즘을 사용하여 예측한 흑연에 비해 더 나은 전도체다.[4] 흑연과 [O2][+AsF6]−의 반응으로 [C8][+AsF6]−[4] 소금이 공급된다.

메탈할라이드 파생상품

많은 금속들이 흑연으로 분해된다. 염화 유도체는 가장 광범위하게 연구되어 왔다. 예로는 MCl2(M = Zn, Ni, Cu, Mn), MCl3(M = Al, Fe, Ga), MCl4(M = Zr, Pt) 등이 있다.[1] 재료는 탄소판 사이에 촘촘하게 포장된 금속 할라이드 층으로 이루어져 있다. 파생 CFeCl은~83 스핀 글라스 거동을 나타낸다.[9] 그것은 위상전환을 연구할 수 있는 특히 비옥한 시스템임이 입증되었다.[citation needed] 단계 n 자석 GIC는 연속적인 자석 층을 분리하는 n개의 흑연 층을 가지고 있다. 단계 번호가 증가하면 연속 자성 층에서 스핀들 사이의 상호 작용이 약해지고 2D 자성 행동이 발생할 수 있다.

할로겐 및 산화-그래피 화합물

염소와 브롬은 역방향으로 흑연에 섞인다. 요오드는 그렇지 않다. 불소는 불가역적으로 반응한다. 브롬인의 경우 n = 8, 12, 14, 16, 20, 28에 대한 CBr이n 알려져 있다.

불가역적으로 형성되기 때문에, 탄소 모노플루오르화물은 종종 중간합성 화합물로 분류되지 않는다. 그것은 공식 (CF)을 가지고 있다.x 215–230 °C에서 기체 플루오린과 그래피티 탄소의 반응에 의해 준비된다. 색깔은 회색, 흰색, 또는 노란색이다. 탄소 원자와 불소 원자의 결합은 공밸런스다. 테트라카본 모노플루오리드(CF4)는 흑연을 불소와 불소를 혼합해 상온에서 처리해 준비한다. 그 화합물은 검푸른 색을 띠고 있다. 카본 모노플루오라이드는 전기 전도성이 없다. 1차(무충전) 리튬 배터리의 한 유형에서 음극 물질로 연구되어 왔다.

흑연 산화물은 불안정한 노란색 고체다.

속성 및 응용 프로그램

흑연 중간화 화합물은 다양한 전자적, 전기적 특성 때문에 수년간 재료 과학자들을 매혹시켰다.

초전도성

초전도 흑연 중간합물 중 CaC는
6 최고 임계온도 Tc = 11.5K를 나타내며,[6] 가압 시 추가 상승(8 GPA에서 15.1K)한다. 이들 화합물의 초전도도는 페르미 수준보다 약 2 eV(0.32 aJ) 위에 놓여 있는 자유 전자와 같은 띠인 층간 상태의 역할과 관련이 있다고 생각되며, 초전도성은 층간 상태가 점유된 경우에만 발생한다.[10] 고품질 자외선을 이용한 순수 CaC
6 분석으로 각도 분해 광분광 측정 수행 π* 대역의 초전도 갭의 개방은 π*-인터레이어 대역 상호 작용에서 발생하는 총 전자-폰-커플링 강도에 상당한 기여를 보였다.[10]

화학 합성 시약: KC8

청동색 소재 KC는8 알려진 가장 강력한 환원제 중 하나이다. 그것은 또한 중합체에서 촉매로 사용되었고 아릴이 바이페닐에 할로겐화되기 위한 결합 시약으로도 사용되었다.[11] 한 연구에서, 새로 준비된8 KC를 클로로포름에 용해되는 수정(긴 알킬 체인이 돌출된 미크로메트레 척도 탄소 혈소판)[11]으로 처리했다. 또 다른 칼륨 흑연 화합물인 KC는24 중성자 단색화기로 사용되었다. 칼륨 흑연의 새로운 필수 적용은 칼륨 이온 배터리의 발명에 의해 도입되었다. 리튬 이온 배터리와 마찬가지로 칼륨 이온 배터리는 금속 양극 대신 탄소 기반 양극을 사용해야 한다. 이런 상황에서 흑연칼륨의 안정적인 구조가 중요한 장점이다.

참고 항목

참조

  1. ^ a b Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Chemistry of the Elements (2nd ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-08-037941-8.
  2. ^ H-P Boehm; Setton, R.; Stumpp, E.; et al. (1994). "Nomenclature and terminology of graphite intercalation compounds" (PDF). Pure and Applied Chemistry (PDF). 66 (9): 1893. doi:10.1351/pac199466091893. S2CID 98227391. Archived from the original (PDF) on 2012-04-06.
  3. ^ a b Ottmers, D.M.; Rase, H.F. (1966). "Potassium graphites prepared by mixed-reaction technique". Carbon. 4 (1): 125–127. doi:10.1016/0008-6223(66)90017-0. ISSN 0008-6223.
  4. ^ a b c d Catherine E. Housecroft; Alan G. Sharpe (2008). "Chapter 14: The group 14 elements". Inorganic Chemistry, 3rd Edition. Pearson. p. 386. ISBN 978-0-13-175553-6.
  5. ^ NIST 이온화 방사선 부문 2001 – 주요 기술 하이라이트. physics.nist.gov
  6. ^ a b c Emery, N.; Hérold, Claire; Marêché, Jean-François; Lagrange, Philippe; et al. (2008). "Review: Synthesis and superconducting properties of CaC6". Science and Technology of Advanced Materials (PDF). 9 (4): 044102. Bibcode:2008STAdM...9d4102E. doi:10.1088/1468-6996/9/4/044102. PMC 5099629. PMID 27878015.
  7. ^ a b Liu, Yuanyue; Merinov, Boris V.; Goddard, William A. (5 April 2016). "Origin of low sodium capacity in graphite and generally weak substrate binding of Na and Mg among alkali and alkaline earth metals". Proceedings of the National Academy of Sciences. 113 (14): 3735–3739. arXiv:1604.03602. Bibcode:2016PNAS..113.3735L. doi:10.1073/pnas.1602473113. PMC 4833228. PMID 27001855.
  8. ^ Xu, Wei; Zhang, Hanyang; Lerner, Michael M. (2018-06-25). "Graphite Intercalation by Mg Diamine Complexes". Inorganic Chemistry. American Chemical Society (ACS). 57 (14): 8042–8045. doi:10.1021/acs.inorgchem.8b01250. ISSN 0020-1669. PMID 29939016. S2CID 49412174.
  9. ^ Millman, S E; Zimmerman, G O (1983). "Observation of spin glass state in FeCl3: intercalated graphite". Journal of Physics C: Solid State Physics. 16 (4): L89. Bibcode:1983JPhC...16L..89M. doi:10.1088/0022-3719/16/4/001.
  10. ^ a b Csányi; Littlewood, P. B.; Nevidomskyy, Andriy H.; Pickard, Chris J.; Simons, B. D.; et al. (2005). "The role of the interlayer state in the electronic structure of superconducting graphite intercalated compounds". Nature Physics. 1 (1): 42–45. arXiv:cond-mat/0503569. Bibcode:2005NatPh...1...42C. doi:10.1038/nphys119. S2CID 6764457.
  11. ^ a b Chakraborty, S.; Chattopadhyay, Jayanta; Guo, Wenhua; Billups, W. Edward; et al. (2007). "Functionalization of Potassium Graphite". Angewandte Chemie International Edition. 46 (24): 4486–8. doi:10.1002/anie.200605175. PMID 17477336.

추가 읽기

  • T. Enoki, M. Suzuki and M. Endo (2003). Graphite intercalation compounds and applications. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-512827-7.
  • Dresselhaus, 이런.;Dresselhaus, G.(1981년)."흑연의 Intercalation 화합물".물리학의 발전. 30(2):139–326.Bibcode:1981AdPhy..30..139D. doi:10.1080/00018738100101367.(187페이지), 또한 Dresselhaus, M.S로 다시 실었습니다;Dresselhaus, G.(2002년)."흑연의 Intercalation 화합물".물리학의 발전. 51(1):1–186.Bibcode:2002AdPhy..51....1D.CiteSeerX 10.1.1.170.2655. doi:10.1080/00018730110113644.S2CID 123597602.
  • D. Savoia; Trombini, C.; Umani-Ronchi, A.; et al. (1985). "Applications of potassium-graphite and metals dispersed on graphite in organic synthesis" (PDF). Pure and Applied Chemistry (PDF). 57 (12): 1887. doi:10.1351/pac198557121887. S2CID 95591721.
  • Suzuki, Itsuko S.; Ting-Yu Huang; Masatsugu Suzuki (13 June 2002). "Magnetic phase diagram of the stage-1 CoCl2 graphite intercalation compound: Existence of metamagnetic transition and spin-flop transitions". Physical Review B. 65 (22): 224432. Bibcode:2002PhRvB..65v4432S. doi:10.1103/PhysRevB.65.224432.
  • Rancourt, DG; C Meschi; S Flandrois (1986). "S=1/2 antiferromagnetic finite chains effectively isolated by frustration: CuCl2-intercalated graphite". Physical Review B. 33 (1): 347–355. Bibcode:1986PhRvB..33..347R. doi:10.1103/PhysRevB.33.347. PMID 9937917.