stringtranslate.com

Интеркаляция (химия)

Интеркаляция — это обратимое включение или вставка молекулы ( или иона) в слоистые материалы со слоистой структурой. Примеры можно найти в графите и дихалькогенидах переходных металлов . [1] [2]

Модель интеркаляции калия в графит

Примеры

Графит

Одним из известных интеркаляционных хозяев является графит , который интеркалирует калий в качестве гостя. [3] Интеркаляция расширяет ван-дер-ваальсов зазор между листами, что требует энергии . Обычно эта энергия обеспечивается переносом заряда между гостем и твердым телом хозяина, т. е. окислительно-восстановительным процессом . Два соединения калия и графита — это KC 8 и KC 24 . Фториды углерода (например, (CF) x и (C 4 F)) получают путем реакции фтора с графитовым углеродом. Цвет сероватый, белый или желтый. Связь между атомами углерода и фтора ковалентная, поэтому фтор не интеркалируется. [ необходимо разъяснение ] Такие материалы рассматривались в качестве катода в различных литиевых батареях .

Схема интеркаляции Li в катод из дисульфида титана . Одна ось кристалла TiS 2 набухает, и заряд переходит от Li к 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 кислоты или хромовой кислоты . Аналогичный перхлорат графита можно получить аналогичным образом путем реакции с хлорной кислотой . [ необходимо разъяснение ]

Литий-ионные аккумуляторы

Одним из крупнейших и наиболее разнообразных применений процесса интеркаляции к началу 2020-х годов является литий-ионное электрохимическое хранение энергии , в батареях, используемых во многих портативных электронных устройствах, мобильных устройствах , электромобилях и промышленных аккумуляторных станциях хранения электроэнергии .

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 трое исследователей, Гуденаф , Язами и Ёсино , получили медаль IEEE 2012 года за технологии в области охраны 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-ионных аккумуляторов». [5]

Отшелушивание

Крайний случай интеркаляции — полное разделение слоев материала. Этот процесс называется эксфолиацией. Обычно требуются агрессивные условия, включающие высокополярные растворители и агрессивные реагенты. [6]

Связанные материалы

В биохимии интеркаляция — это вставка молекул между основаниями ДНК. Этот процесс используется как метод анализа ДНК , а также является основой некоторых видов отравления.

Клатраты — это химические вещества , состоящие из решетки , которая захватывает или содержит молекулы. Обычно клатратные соединения являются полимерными и полностью обволакивают гостевую молекулу. Соединения включения часто являются молекулами, тогда как клатраты обычно являются полимерными. Соединения интеркаляции не являются трехмерными, в отличие от клатратных соединений. [7] Согласно ИЮПАК , клатраты — это «соединения включения, в которых гостевая молекула находится в клетке, образованной молекулой-хозяином или решеткой молекул-хозяев». [8]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Стэнли М. Уиттингем (2 декабря 2012 г.). ИНТЕРКАЛЯЦИОННАЯ ХИМИЯ. Elsevier. ISBN 978-0-323-14040-9. Получено 18 мая 2016 г.
  2. ^ W. Müller-Warmuth; R. Schöllhorn (6 декабря 2012 г.). Прогресс в исследовании интеркаляции. Физика и химия материалов с низкоразмерными структурами 17. Springer Science & Business Media. ISBN 978-94-011-0890-4. Получено 18 мая 2016 г.
  3. ^ Wiberg, E.; Holleman, AF; Wiberg, N.; Eagleson, M.; Brewer, W.; Aylett, BJ (2001). Неорганическая химия. Academic Press. стр. 794. ISBN 978-0-12-352651-9. Получено 12 марта 2021 г. .
  4. ^ «Анод против катода: в чем разница?». BioLogic . Получено 25 мая 2023 г.
  5. ^ "Нобелевская премия по химии 2019 года". Nobel Foundation. Архивировано из оригинала 8 декабря 2019 года . Получено 4 июня 2023 года .
  6. ^ Николоси, В.; и др. (2013). «Жидкостное расслоение слоистых материалов». Science . 340 (6139). doi :10.1126/science.1226419. hdl : 2262/69769 .
  7. ^ Atwood, JL (2012). «Соединения включения». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Weinheim: Wiley-VCH. doi :10.1002/14356007.a14_119.
  8. ^ IUPAC , Compendium of Chemical Terminology , 2nd ed. («Золотая книга») (1997). Онлайн-исправленная версия: (2006–) «клатраты». doi :10.1351/goldbook.C01097