Интеркаляция (химия)

Интеркаляция — это обратимое включение или внедрение молекулы ( или иона) в слоистые материалы со слоистой структурой. Примеры находятся в графите и дихалькогенидах переходных металлов . ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}

Примеры

Графит

Одним из известных хозяев интеркалирования является графит , который интеркалирует калий в качестве гостя. ^{[ 3 ]} Интеркаляция расширяет ван-дер-ваальсов зазор между листами, что требует энергии . Обычно эта энергия поступает за счет переноса заряда между гостем и твердым телом-хозяином, т. е. окислительно-восстановительного процесса . Двумя соединениями графита калия являются KC ₈ и KC ₂₄ . Фториды углерода (например, (CF) _x и (C ₄ F)) получают реакцией фтора с графитовым углеродом. Цвет серый, белый или желтый. Связь между атомами углерода и фтора ковалентная, поэтому фтор не интеркалируется. ^{[ нужны разъяснения ]} Такие материалы рассматривались в качестве катода в различных литиевых батареях .

Схема внедрения Li в катод из дисульфида титана . Одна ось кристалла TiS ₂ разбухает и заряд переносится с Li на Ti.

Обработка графита сильными кислотами в присутствии окислителей приводит к окислению графита. Бисульфат графита, [C ₂₄ ] ⁺[HSO ₄ ] ⁻, получают таким способом с использованием серной кислоты и небольшого количества азотной или хромовой кислоты . Аналогичный перхлорат графита можно получить аналогично реакцией с хлорной кислотой . ^{[ нужны разъяснения ]}

Литий-ионные аккумуляторы

Одним из крупнейших и наиболее разнообразных применений процесса интеркаляции к началу 2020-х годов станет литий-ионное электрохимическое хранение энергии , батареи, используемые во многих портативных электронных устройствах, мобильных устройствах , электромобилях и аккумуляторных электростанциях общего пользования .

К 2023 году все коммерческие литий-ионные элементы будут использовать интеркаляционные соединения в качестве активных материалов, и большинство из них будут использовать их как в катоде, так и в аноде в физической структуре батареи. ^{[ 4 ]}

В 2012 году три исследователя, Гуденаф , Язами и Ёсино , получили в 2012 году медаль IEEE за технологии защиты окружающей среды и безопасности за разработку интеркалированного литий-ионного аккумулятора, а впоследствии Гуденаф, Уиттингем и Ёсино были удостоены Нобелевской премии по химии 2019 года «за разработку литий-ионные аккумуляторы». ^{[ 5 ]}

Отшелушивание

Крайним случаем интеркаляции является полное разделение слоев материала. Этот процесс называется эксфолиацией. Обычно требуются агрессивные условия с использованием высокополярных растворителей и агрессивных реагентов. ^{[ 6 ]}

См. также

Клатратное соединение : молекула входит в решетку.
Соединение интеркаляции графита
Интеркаляция (биохимия)
Укладка (химия)
Водородное охрупчивание

Примечания

^ Стэнли М. Уиттингем (2 декабря 2012 г.). ИНТЕРКАЛЯЦИОННАЯ ХИМИЯ . Эльзевир. ISBN 978-0-323-14040-9 . Проверено 18 мая 2016 г.
^ В. Мюллер-Вармут; Р. Шёлльхорн (6 декабря 2012 г.). Прогресс в исследованиях интеркаляции . Физика и химия материалов с низкоразмерными структурами 17. Springer Science & Business Media. ISBN 978-94-011-0890-4 . Проверено 18 мая 2016 г.
^ Виберг, Э.; Холлеман, А.Ф.; Виберг, Н.; Иглсон, М.; Брюэр, В.; Эйлетт, Би Джей (2001). Неорганическая химия . Академическая пресса. п. 794. ИСБН 978-0-12-352651-9 . Проверено 12 марта 2021 г.
^ «Анод против катода: в чем разница?» . Биологика . Проверено 25 мая 2023 г.
^ «Нобелевская премия по химии 2019» . Нобелевский фонд. Архивировано из оригинала 8 декабря 2019 года . Проверено 4 июня 2023 г.
^ Николози, В.; и др. (2013). «Жидкое отшелушивание слоистых материалов». Наука . 340 (6139). дои : 10.1126/science.1226419 . hdl : 2262/69769 .
^ Этвуд, Дж. Л. (2012). «Соединения включения». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. дои : 10.1002/14356007.a14_119 .
^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) « Клатраты ». два : 10.1351/goldbook.C01097

[Whittingha2012-1] Стэнли М. Уиттингем (2 декабря 2012 г.). ИНТЕРКАЛЯЦИОННАЯ ХИМИЯ . Эльзевир. ISBN 978-0-323-14040-9 . Проверено 18 мая 2016 г.

[Müller-WarmuthSchöllhorn2012-2] В. Мюллер-Вармут; Р. Шёлльхорн (6 декабря 2012 г.). Прогресс в исследованиях интеркаляции . Физика и химия материалов с низкоразмерными структурами 17. Springer Science & Business Media. ISBN 978-94-011-0890-4 . Проверено 18 мая 2016 г.

[3] Виберг, Э.; Холлеман, А.Ф.; Виберг, Н.; Иглсон, М.; Брюэр, В.; Эйлетт, Би Джей (2001). Неорганическая химия . Академическая пресса. п. 794. ИСБН 978-0-12-352651-9 . Проверено 12 марта 2021 г.

[biologic20230525-4] «Анод против катода: в чем разница?» . Биологика . Проверено 25 мая 2023 г.

[nobel20191208-5] «Нобелевская премия по химии 2019» . Нобелевский фонд. Архивировано из оригинала 8 декабря 2019 года . Проверено 4 июня 2023 г.

[6] Николози, В.; и др. (2013). «Жидкое отшелушивание слоистых материалов». Наука . 340 (6139). дои : 10.1126/science.1226419 . hdl : 2262/69769 .

[Ullmann-7] Этвуд, Дж. Л. (2012). «Соединения включения». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. дои : 10.1002/14356007.a14_119 .

[8] ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) « Клатраты ». два : 10.1351/goldbook.C01097

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]