Grafit-interkalationsforbindelser kan være nøglen til at forlænge batteriets levetid

I 2012-2013 et internationalt forskningssamarbejde opdagede et fænomen, der kunne observeres via optisk mikroskop under faseovergangene i grafitinterkalationsforbindelser. Det tog teamleder Dr. Ayrat M. Dimiev seks år med yderligere forskning, inklusive yderligere eksperimenter ved Kazan Federal University, fuldt ud at forstå drivkræfterne bag de observerede fænomener.

Forsøgene er udført med deltagelse af ph.d. kandidat Ksenia Shukhina. Et vigtigt gennembrud kom fra brugen af ​​ultrahurtig Raman-kortlægning af grafitoverfladen under faseovergange. Det fælles russisk-amerikanske blad udkom i The Journal of Physical Chemistry C .

Grafitinterkalationsforbindelser (GIC'er) dannes ved indsættelse af visse atomare og molekylære arter mellem grafenlagene af grafit. De resulterende forbindelser har en række unikke egenskaber, som ikke er specifikke for modermaterialerne. Blandt de mest spændende egenskaber ved GIC er dens superledningsevne, en opdagelse, der vakte stor interesse. Afhængigt af interkalantens elektrokemiske potentiale og den respektive ladning på grafenlagene, grafit danner strukturer, hvor man, to eller flere grafenlag er klemt mellem de to lag af intercalant. De resulterende forbindelser omtales som trin-1, fase-2, og fase-3 GIC'er, henholdsvis. På trods af intensiv og langvarig forskning i GIC'er, mekanismen for faseovergangene forbliver uklar.

I dette studie, forfattere brugte optisk og Raman-mikroskopi til at udføre direkte, realtidsovervågning af faseovergange i H ₂ SÅ ₄ -GIC lavet af højt orienteret pyrolytisk grafit (HOPG). De observerede, at faseovergange i HOPG-baseret GIC forekommer meget anderledes end dem i GIC fremstillet af naturlig flagegrafit. Under overgangen fra fase-2 til fase-1, dannelsen af ​​fase 2-fasen begynder næsten samtidigt over hele grafitoverfladen, der er udsat for mediet.

Dette blev tilskrevet bevægelsen af ​​de små intercalant-dele mod tiltrækningspunkterne, således voksende sammenhængende øer. Imidlertid, under den omvendte proces, overgangen fra fase-1 til fase-2 begynder strengt fra kanterne af grafitprøven og forplanter sig mod dens centrum. Den mest slående observation var, at deinterkalationsfronten var diskontinuerlig; nemlig de udvalgte domæner i mikrometerstørrelse af grafitoverfladen deinterkaleres fortrinsvis for at frigive stammen, der var blevet induceret af interkalationen. Den interkalerende dynamik i 2-D grafitgallerierne, sker med hastigheden> 240 m/s, har hurtig kinetik. Den indledende interkaleringsproces er forskellig fra resten af ​​genindlægscyklusserne. Forskellen i mekanismerne for faseovergangene i naturlige flagegrafitbaserede GIC'er og i de HOPG-baserede GIC'er eksemplificerer grafitstrukturens rolle for intercalant-dynamikken i 2-D grafitgallerier.

Resultaterne i denne undersøgelse fremmer grafenområdet og har flere potentielle anvendelser. GIC'er kan betragtes som stakke af dopet grafen, som let kan fremstilles ved fuldt reversible reaktioner; dopingniveauet kan nemt styres af reaktionsbetingelserne. For det andet interkalation svækker klæbekræfterne mellem de tilstødende grafenlag. Dermed, GIC'er tjener som forløbere til opnåelse af enkeltlags grafen og grafen nanoplader via flydende fase eksfoliering. Tredje, GIC'er tjener som vigtige og uundgåelige mellemprodukter på vej til kovalent funktionalisering af grafen på grund af carbonatomers ladede tilstand. Endelig og vigtigst af alt, Li-ion batteridrift er baseret på cyklisk interkalation-deinterkalation af lithiumioner med grafit. Forståelse af faseovergangsmekanismen vil hjælpe med at fremme alle disse applikationer.

Teamleder Ayrat Dimiev konkluderer, "De undersøgte faseovergange i H ₂ SÅ ₄ -GIC'er ledsages af overførsel af protoner til og fra den interkalerede svovlsyre, der forekommer af Grotthuss-mekanismen, dvs. den er ultrahurtig og "friktionsfri." Vi overvejer at tjekke, om det er sandt. Hvis ja, disse systemer kan bruges som protonledere i brintbrændselscellerne. En anden retning er at udvikle en effektiv procedure med høj gennemstrømning til flydende faseeksfoliering af grafit til monolagsgrafen."