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