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]
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 .
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 ]
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 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-ионных аккумуляторов». [5]
Крайним случаем интеркаляции является полное разделение слоев материала. Этот процесс называется эксфолиацией. Обычно требуются агрессивные условия, включающие высокополярные растворители и агрессивные реагенты. [6]
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]