stringtranslate.com

Интеркаляция (химия)

В химии 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]

Модель внедрения калия в графит

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. [ необходимы 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 этим подходом 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 в мобильных устройствах и во многих электромобилях . 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 разработка литий-ионных аккумуляторов». [5]

Дихалькогениды металлов

Другим известным семейством интеркаляционных хозяев являются слоистые дихалькогениды металлов , такие как дисульфид титана . [6] Характерным образом интеркаляцию анализируют с помощью дифракции рентгеновских лучей, поскольку расстояние между листами увеличивается, и с помощью электропроводности, поскольку перенос заряда изменяет количество носителей заряда. [ нужна цитата ]

Структурно родственная разновидность — оксихлорид железа . [ нужна цитата ]

Отшелушивание

Крайним случаем интеркаляции является полное разделение слоев материала. Этот процесс называется эксфолиацией. Обычно требуются агрессивные условия с использованием высокополярных растворителей и агрессивных реагентов. [7]

Похожие материалы

В биохимии интеркаляция — это вставка молекул между основаниями ДНК. Этот процесс используется как метод анализа ДНК, а также лежит в основе некоторых видов отравлений.

Клатраты – это химические вещества , состоящие из решетки , которая улавливает или удерживает молекулы. Обычно клатратные соединения являются полимерными и полностью обволакивают молекулу гостя. Соединения включения часто представляют собой молекулы, тогда как клатраты обычно являются полимерными. Интеркаляционные соединения не являются трехмерными, в отличие от клатратных соединений. [8] Согласно ИЮПАК , клатраты — это «соединения включения, в которых молекула-гость находится в клетке, образованной молекулой-хозяином или решеткой молекул-хозяев». [9]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Стэнли М. Уиттингем (2 декабря 2012 г.). ИНТЕРКАЛЯЦИОННАЯ ХИМИЯ. Эльзевир. ISBN 978-0-323-14040-9. Проверено 18 мая 2016 г.
  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.
  4. ^ «Анод против катода: в чем разница?». Биологика . Проверено 25 мая 2023 г.
  5. ^ «Нобелевская премия по химии 2019». Нобелевский фонд. Архивировано из оригинала 8 декабря 2019 года . Проверено 4 июня 2023 г.
  6. ^ Киккава, С.; Канамару, Ф.; Коидзуми, М. (1983). «Слоистые интеркаляционные соединения». Неорганические синтезы . Том. 22. с. 86. дои : 10.1002/9780470132531.ch17. ISBN 0-471-88887-7.
  7. ^ Николози, В.; и другие. (2013). «Жидкое отшелушивание слоистых материалов». Наука . 340 (6139). дои : 10.1126/science.1226419. hdl : 2262/69769 .
  8. ^ Этвуд, Дж. Л. (2012). «Соединения включения». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. дои : 10.1002/14356007.a14_119.
  9. ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) «клатраты». дои :10.1351/goldbook.C01097