石墨层间化合物
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石墨层间化合物的合成和应用
作者苘 介 ： 时虎 男
片石墨具有层状结构 ， 碱金属 、 卤素 、 金属 卤化物 、 强氧 化 性 含 氧 酸 都 可 嵌 入 层 间 ， 成 层 间 化 合 形 物【 。在受 到 ２ ０℃ 以上高温 时 。 ０ 由于 吸 留在 层 形点 阵中化合 物的分解 ， 石墨层间化台物 便开始
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２ ０ １９期 ０ ２年第 ２期 总第 １
Ｃ Ｒ Ｏ素 技 Ｉ１ Ａ 炭 Ｎ＿ Ｂ ¨删 Ｑ 术
２ ０ №２ ０２
ｓＪ １ ９ ＩＭ １
石 墨 层 间化合 物 的合 成 和 应 用
时 虎， 胡 源
（ 中国科学技 求大学 火灾科学国家重点实验 室火灾化 学研究室， 安徽 合肥 ２０ ２ ） ３ ０６
摘 要： 石墨层 间化台物 （ ｒｐ ｉ ｔ ｃｌ ｏ ｏ ｏｎ ， Ｇ ａｈｔ Ｉ ｅ ａ ｔ ｎＣ ｍｐｕ ｄ 简称 ＧＩ 是一种 重要的化台物 ， ｅｎ ｒ ａ ｉ ｃ） 广泛用于各种科学
和生活领域 。车文介绍 了石 墨层问化台 物台成 及其 在密封 、 环保 、 医药 、 阻燃等方面的应用 。 关键 词 ： 石墨层 问化台物 ； 台成 ； 密封 ； 阻燃
大、 睹量多 ， 而且 质量好 。石 墨矿成矿时代有太 古 宙、 元古 宙、 生代 和中生代 ， 古 以元 古宙 石墨矿 为 墨为 原料 。
经化 学 或 电化学 处 理 而 得 到 的一 种 石 墨 产 品 。 鳞
矿产出 ． 探明储量 的矿 区有 ９ １处 ， 总保有储 量矿 物 １７ ．３亿 ｔ居世界第一 位。从地区分布看 ． ， 以黑 龙江省为最 多 ． 量 占全 国的 ６ ． ％ ， 储 ４ １ 四川 和 山 东石墨 矿也较丰富。石 墨矿床类型有 区域变质 型 （ 黑龙 江柳毛 、 内蒙古黄土窑 、 山东南 墅 、 四川攀 枝 花扎壁石墨矿等 ）接触变质型（ 、 如湖南 鲁塘 、 广东 连平石墨矿等 ） 和岩浆热液型 （ 新疆奇 台苏吉泉 矿
片石墨具有层状结构 ， 碱金属 、 卤素 、 金属 卤化物 、 强氧 化 性 含 氧 酸 都 可 嵌 入 层 间 ， 成 层 间 化 合 形 物【 。在受 到 ２ ０℃ 以上高温 时 。 ０ 由于 吸 留在 层 形点 阵中化合 物的分解 ， 石墨层间化台物 便开始
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２ ０ １９期 ０ ２年第 ２期 总第 １
Ｃ Ｒ Ｏ素 技 Ｉ１ Ａ 炭 Ｎ＿ Ｂ ¨删 Ｑ 术
２ ０ №２ ０２
ｓＪ １ ９ ＩＭ １
石 墨 层 间化合 物 的合 成 和 应 用
时 虎， 胡 源
（ 中国科学技 求大学 火灾科学国家重点实验 室火灾化 学研究室， 安徽 合肥 ２０ ２ ） ３ ０６
摘 要： 石墨层 间化台物 （ ｒｐ ｉ ｔ ｃｌ ｏ ｏ ｏｎ ， Ｇ ａｈｔ Ｉ ｅ ａ ｔ ｎＣ ｍｐｕ ｄ 简称 ＧＩ 是一种 重要的化台物 ， ｅｎ ｒ ａ ｉ ｃ） 广泛用于各种科学
和生活领域 。车文介绍 了石 墨层问化台 物台成 及其 在密封 、 环保 、 医药 、 阻燃等方面的应用 。 关键 词 ： 石墨层 问化台物 ； 台成 ； 密封 ； 阻燃
大、 睹量多 ， 而且 质量好 。石 墨矿成矿时代有太 古 宙、 元古 宙、 生代 和中生代 ， 古 以元 古宙 石墨矿 为 墨为 原料 。
经化 学 或 电化学 处 理 而 得 到 的一 种 石 墨 产 品 。 鳞
矿产出 ． 探明储量 的矿 区有 ９ １处 ， 总保有储 量矿 物 １７ ．３亿 ｔ居世界第一 位。从地区分布看 ． ， 以黑 龙江省为最 多 ． 量 占全 国的 ６ ． ％ ， 储 ４ １ 四川 和 山 东石墨 矿也较丰富。石 墨矿床类型有 区域变质 型 （ 黑龙 江柳毛 、 内蒙古黄土窑 、 山东南 墅 、 四川攀 枝 花扎壁石墨矿等 ）接触变质型（ 、 如湖南 鲁塘 、 广东 连平石墨矿等 ） 和岩浆热液型 （ 新疆奇 台苏吉泉 矿
新型碳材料
新型碳材料一．碳材料基础碳作为生命组织的基本组成之一存在于所有有机材料和所有碳基高分子中。
纯的碳很早以前就是重要的无机材料之一。
碳有4种同素异形体：石墨、金刚石、富勒烯、卡宾碳，它们各有各自不同的特点及应用，总的来说它们几乎涵盖所有科学家及工程师所需要的特点。
例如：石墨是最软的材料之一（显微硬度1GPa），通常用来作为固体润滑剂；金刚石是最硬的材料（显微硬度100GPa），通常作为切割工具；碳纳米管拥有与铜或硅相媲美的导电性。
传统碳材料(Classic Carbons) •木炭，竹炭(Charcoals)•活性炭(Activated carbons) •炭黑(Carbon blacks)•焦炭(Coke)•天然石墨（Natural graphite）•石墨电极，炭刷•炭棒，铅笔新型碳材料(New Carbons) •金刚石(Diamond)•炭纤维(carbon fibers)•石墨层间化合物(Graphite Intercalation compounds)•柔性石墨(Flexible graphite) •核石墨（Nuclear graphite）•储能用炭材料•玻璃炭（Glass-like carbons）其中新型碳材料包含纳米碳材料：富勒烯、碳纳米管、纳米金刚石、石墨烯。
二．新型碳材料1.金刚石2.碳纤维导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低，X 射线透过性好。
但其耐冲击性较差，容易损伤，在强酸作用下发生氧化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。
因此，碳纤维在使用前须进行表面处理。
碳纤维广泛用于民用，军用，建筑，化工，工业，航天等领域。
3.石墨层间化合物石墨层间化合物（GIC）是通式为XCy的化合物，它是由金属原子插入在石墨层间形成的。
这种化合物导电性通常比石墨要强。
若插入原子与石墨形成共价键，则导电性降低，这是由于共轭sp系统破坏造成的。
石墨层间化合物通常具有超导性能。
石墨层间化合物
性质、制备、应用
概述
石墨层间化合物(GIC) 是一种分子水平、具 有广泛应用前景的新 型功能材料，由于它 具有诸多优良的物理
化学性能(如高导电性、 导磁性、催化等)而倍 受瞩目。近年来，在 结构和性能研究方面 都取得了卓越的成果。
石墨具有层间结构，
层面内碳原子以SP2杂 化轨道电子形成共价 键，形牢固的六角网 状平面炭层，而在层 与层之间，则以微弱 的范德华力结合，层 间距为0.3354nm。碳 层之间的结合力弱， 间距较大，导致多种 化学(原子、分子、离 子和离子团)可以插人 层间空隙，形成石墨 层间化合物。
做贮氢材料，每100g的KC24可贮氢 13.71L， 而KC24在氮气的液化温度附 近可吸收大量的氢形成KC24(H2)1.9二阶 化合物
（或铷、铯）作用，形成蓝色的C24K、 C26K，灰色的C48K、C60K或青铜色的 C8K。
C8K中K的分布
制备
常用的石墨层间化合物的制备方法主要
有： 双室法、液相法、电化学法、溶剂法、 熔融法， 此外还有固体加压法、爆炸法和光化学 法等方法。
应用 电池材料
利用石墨层间化合物的插入和分解反应的特点，
由金属原子插入在石墨层间形成的。这种化
合物导电性通常比石墨要强。若插入原子与 石墨形成共价键，则导电性降低，这是由于 共轭sp系统破坏造成的。石墨层间化合物通 常具有超导性能。
制备
强酸氧化法
用浓硫酸和浓硝酸以1：1-9：1混合液浸泡石墨，重铬酸钾、
高锰酸钾、等作为氧化剂，洗涤、过滤干燥，即可形成层 间化合物。
电解氧化法
在特制的电解槽中进行。如硫酸水溶液为电解液。石墨粉
组成阳Hale Waihona Puke 或悬浮于电解液中。 离子插入法
概述
石墨层间化合物(GIC) 是一种分子水平、具 有广泛应用前景的新 型功能材料，由于它 具有诸多优良的物理
化学性能(如高导电性、 导磁性、催化等)而倍 受瞩目。近年来，在 结构和性能研究方面 都取得了卓越的成果。
石墨具有层间结构，
层面内碳原子以SP2杂 化轨道电子形成共价 键，形牢固的六角网 状平面炭层，而在层 与层之间，则以微弱 的范德华力结合，层 间距为0.3354nm。碳 层之间的结合力弱， 间距较大，导致多种 化学(原子、分子、离 子和离子团)可以插人 层间空隙，形成石墨 层间化合物。
做贮氢材料，每100g的KC24可贮氢 13.71L， 而KC24在氮气的液化温度附 近可吸收大量的氢形成KC24(H2)1.9二阶 化合物
（或铷、铯）作用，形成蓝色的C24K、 C26K，灰色的C48K、C60K或青铜色的 C8K。
C8K中K的分布
制备
常用的石墨层间化合物的制备方法主要
有： 双室法、液相法、电化学法、溶剂法、 熔融法， 此外还有固体加压法、爆炸法和光化学 法等方法。
应用 电池材料
利用石墨层间化合物的插入和分解反应的特点，
由金属原子插入在石墨层间形成的。这种化
合物导电性通常比石墨要强。若插入原子与 石墨形成共价键，则导电性降低，这是由于 共轭sp系统破坏造成的。石墨层间化合物通 常具有超导性能。
制备
强酸氧化法
用浓硫酸和浓硝酸以1：1-9：1混合液浸泡石墨，重铬酸钾、
高锰酸钾、等作为氧化剂，洗涤、过滤干燥，即可形成层 间化合物。
电解氧化法
在特制的电解槽中进行。如硫酸水溶液为电解液。石墨粉
组成阳Hale Waihona Puke 或悬浮于电解液中。 离子插入法
探讨氟化石墨的物理化学性质
探讨氟化石墨的物理化学性质氟化石墨是通过氟与碳直接反应生成的石墨插层化合物，有聚单氟碳。
和聚单氟二碳两种结构，是一种白色固体粉末状物质。
氟化石墨层间能非常小，故作为一种特殊的石墨层间化合物。
其具有优良的物理化学性质，主要体现在表面能性质，润滑性能，电化学性能，化学性质和绝缘性等方面。
氟化石墨的表面能极低，水一聚四氟乙烯接触角约为100度。
而水一氟化石墨的接触角为103度。
对于酸，碱水溶液。
具有长时间的憎水性。
即使处理100小时之后，接触角对于水为103度，对于0.1NHCI及0.1NaOH为110度，极难润滑。
从下表中可看出，氟化石墨的表面能较低为聚四氟乙烯的1/3一下，说明氟化石墨比石墨和聚四氟乙烯等防水疏油性更强。
大家都知道石墨和二硫化铝(MoS2)是二种比较常见、性能较优越的重要的固体润滑剂，但它们均存在一定的不足之处。
氟化石墨作为一种新型固体润滑剂，其润滑性优于石墨和二硫化铝，特别是在苛刻气氛、高速、高压、高温条件下，效果更佳，且不对金属和其它材料产生腐蚀作用，国内外相关专家称之为划时代的新型固体润滑剂。
氟化石墨之所以具有如此优异的润滑性能主要是因为氟原子进入石墨层间并与兀电子形成了共价键，致使石墨层间的键能显著减小，仅2Kcal/mol，远比原料石墨的层间能9Kcal/mol低，这是它具有优良润滑性能的根本原因；另外，由于石墨六角网状平面层上、下表面密布结合着氟原子，其层与层之间的氟原子相互之间又有斥力，它们可以抵消来自外部的压力，故氟化石墨能充分表现出优良的润滑性能。
下表列出了不同温度条件下几种润滑材料的摩擦系数，我们可以看出同一温度下，氟化石墨摩擦系数最小，尤其在高温下表现的更为明显，如在温度为320℃的条件下，石墨的摩擦系数为0.53.而氟化石墨的摩擦系数则只有0.10.从下表中的数据可以看出，氟化石墨的综合指标最好。
氟化石墨在大气中于650℃以上润滑失效。
原因是分解成了无润滑的无形碳黑，但这和二硫化铝，石墨的氧化失效有本质的区别。
石墨嵌锂化合物lixc6的颜色
石墨嵌锂化合物lixc6的颜色石墨嵌锂化合物Li_xC_6的颜色一、Li_xC_6化合物的结构与性质Li_xC_6是由锂原子嵌入到石墨晶格中形成的一种化合物。
其晶体结构呈层状排列，每个石墨层由碳原子构成，而锂原子则紧密嵌入到石墨层之间的间隙中。
由于锂原子的存在，Li_xC_6具有很多独特的性质，其中包括其特殊的颜色。
二、Li_xC_6的颜色特征Li_xC_6的颜色主要取决于其中锂原子的浓度。
当锂原子的浓度较低时，Li_xC_6呈现出黑色或深灰色的外观。
这是因为锂原子与石墨层之间的相互作用导致电子结构的改变，使得光的吸收和反射发生变化，从而呈现出黑色或深灰色。
这种颜色特征使得Li_xC_6成为一种良好的吸光材料，广泛应用于太阳能电池等领域。
随着锂原子浓度的增加，Li_xC_6的颜色也随之发生变化。
当锂原子的浓度逐渐增加时，Li_xC_6的颜色会逐渐转变为浅灰色或浅棕色。
这是因为锂原子的存在增强了电子之间的相互作用力，使得光的吸收和反射发生进一步的改变，导致颜色发生变化。
最终，当锂原子的浓度达到一定程度时，Li_xC_6的颜色将变为金属光泽。
这是由于锂原子的浓度高到足以形成大片的金属状锂，从而显露出金属的外观和光泽。
这种金属光泽的颜色特征使得Li_xC_6成为一种优秀的导电材料，在电子器件等领域具有广泛的应用。
三、Li_xC_6颜色的应用价值Li_xC_6颜色的变化不仅仅是一种视觉特征，更具有重要的应用价值。
其颜色对其电学性质和光学性质具有直接影响，因此可用于太阳能电池、显示器、光电传感器等领域。
光的吸收和反射特性决定了材料对光源的利用能力，而Li_xC_6的颜色特征可以调控其对不同波长光的吸收程度，从而在光电器件领域发挥重要作用。
此外，随着对可持续能源的需求不断增加，太阳能电池作为一种绿色能源的重要组成部分，对材料的性能提出了更高的要求。
而利用Li_xC_6的颜色特征可以调控其光吸收和反射的性能，从而提高太阳能电池的效率和稳定性。
第三章石墨层间化合物
于范德华力间隙中。 施主型GIC中，插入物质失去电子成为正离子，如K—GIC； 受主型GIC，插入物质获得电子成为负离子，如Br—GIC。
四、层间距增大
插入物质进入石墨主体后，在高温下石墨主体体积发生 膨胀，这是由于碳层层间距增大的结果。 插入物质后层间距可以增大数十倍，特别是可膨胀石墨， 由于层间插入物受热汽化产生的膨胀力可以克服层间结合 的分子间力，从而沿c轴方向膨胀了数十倍到数百倍
密封材料
以硫酸、硝酸和鳞片石墨反应合成的可膨胀石墨，经过 高温膨胀后体积剧烈膨胀，含有许多大孔结构，再经过
机械加压成型可制成柔性石墨，具有耐高温、耐腐蚀、
自润滑特性，而且由于经过自啮合成型，还具有高压缩 回弹性和低应力松弛率等性能，有“密封王”的美称。
这种材料热稳定性好，在空气中的使用温度为400一
催 化 剂
由于石墨层间化合物的内表面积非常大，而且具有选择性的
吸附作用，所以可以用做催化剂。
把Fe、Ni、Co等的石墨层间化合物作为催化剂在850－l200℃、
60－90×l05kPa的条件下用于合成金刚石。
环保领域
高温膨化得到的石墨层间化合物，具有丰富的孔结构， 因而有优良的吸附性能，所以在环保有广泛的用途。 石墨层间化合物的孔结构有开放孔和封闭孔两种，孔容 积占98％左右，而且以大孔为主，孔径分布范围1一lO.3nm。
第一节
石墨层间化合物的结构
一、阶结构
GICs晶体结构特点是外来反应物形成了独立的插入物层，并 在石墨的c轴方向形成超点阵。在垂直于碳层平面的方向上， 插入物质以一定周期占据各个范德华力间隙，形成阶梯结构， n阶结构的周期为n。插入物质进入范德华力间隙后，碳层的 堆垛顺序由原来的ABAB(或BABA)变为AA(或BB)。 阶梯结构的形成与插入物质的种类、组分、合成等有关。
四、层间距增大
插入物质进入石墨主体后，在高温下石墨主体体积发生 膨胀，这是由于碳层层间距增大的结果。 插入物质后层间距可以增大数十倍，特别是可膨胀石墨， 由于层间插入物受热汽化产生的膨胀力可以克服层间结合 的分子间力，从而沿c轴方向膨胀了数十倍到数百倍
密封材料
以硫酸、硝酸和鳞片石墨反应合成的可膨胀石墨，经过 高温膨胀后体积剧烈膨胀，含有许多大孔结构，再经过
机械加压成型可制成柔性石墨，具有耐高温、耐腐蚀、
自润滑特性，而且由于经过自啮合成型，还具有高压缩 回弹性和低应力松弛率等性能，有“密封王”的美称。
这种材料热稳定性好，在空气中的使用温度为400一
催 化 剂
由于石墨层间化合物的内表面积非常大，而且具有选择性的
吸附作用，所以可以用做催化剂。
把Fe、Ni、Co等的石墨层间化合物作为催化剂在850－l200℃、
60－90×l05kPa的条件下用于合成金刚石。
环保领域
高温膨化得到的石墨层间化合物，具有丰富的孔结构， 因而有优良的吸附性能，所以在环保有广泛的用途。 石墨层间化合物的孔结构有开放孔和封闭孔两种，孔容 积占98％左右，而且以大孔为主，孔径分布范围1一lO.3nm。
第一节
石墨层间化合物的结构
一、阶结构
GICs晶体结构特点是外来反应物形成了独立的插入物层，并 在石墨的c轴方向形成超点阵。在垂直于碳层平面的方向上， 插入物质以一定周期占据各个范德华力间隙，形成阶梯结构， n阶结构的周期为n。插入物质进入范德华力间隙后，碳层的 堆垛顺序由原来的ABAB(或BABA)变为AA(或BB)。 阶梯结构的形成与插入物质的种类、组分、合成等有关。
石墨层间化合物在插层过程中阶的转变模式
石墨层间化合物在插层过程中阶的转变模式石墨层间化合物是一类特殊的材料，由石墨层与其它原子层之间存在的相互作用所构成。
这种相互作用极其特殊，因为它可以通过插层过程来改变石墨层的阶。
石墨层间化合物的阶转变模式可以分为三种类型：均匀插入、分级插入和不均匀插入。
在均匀插入过程中，外来原子或分子以一种均勻的方式排列在石墨层之间。
这种插层过程通常是由外部条件引发的，例如温度、压力或浓度的改变。
当外来原子或分子插入到石墨层之间时，它们会与石墨层的碳原子形成一种新的结构。
这种插入过程使石墨层的阶发生了改变，从而导致了新的物理和化学性质的产生。
在分级插入过程中，外来原子或分子在石墨层之间以不同的方式排列。
这种排列可以是有序的，也可以是无序的。
分级插入过程通常是通过控制插层条件来实现的，例如物质的浓度或插层速率的变化。
在这种插入过程中，外界条件的改变会导致石墨层的阶发生不连续的变化。
这种不连续性可以通过精确控制插层条件来实现，从而产生特定的物理和化学性质。
不均匀插入是一种特殊的插层过程，外来原子或分子以一种不均匀的方式插入石墨层之间。
这种插入过程通常是由外界条件的局部变化所引起的。
在不均匀插入过程中，外来原子或分子只能插入到特定的位置，而无法均匀地插入到整个石墨层中。
与均匀插入和分级插入不同，不均匀插入会导致石墨层的阶局部发生改变，而不是整体性的改变。
这种不均匀性可以通过结构上的不连续性和局部性来解释，并且常常会导致新的物理和化学性质的出现。
总之，石墨层间化合物的阶转变模式是一个复杂而有趣的研究领域。
研究人员通过插层过程来改变石墨层的阶，从而创造出新的物质和性质。
了解和掌握这些阶转变模式对于开发新材料和研究其性质有着重要的指导意义。
未来随着科学技术的不断进步，我们相信石墨层间化合物的研究将会有更多的突破和创新。
氟化石墨简介
1、性质：氟化石墨是碳和氟直接反应而制得的一种石墨层间化合物。
其化学结构式可用（Cfx）n来表示。
其中X为不定值，大小为0＜X＜1.25。
氟化石墨的性质随分子式中碳和氟的比值不同而不同。
CF（1-1.25）称为高氟化度石墨CF（0.5-0.99）被称之为低氟化度石墨颜色随着氟含量的增加，由灰黑色变为雪白色，高氟化度石墨具有优良的热稳定性，是电和热的绝缘体，不受强酸和强碱的腐蚀，润滑性能超过MoS2和鳞片石墨，试验证明，在任意温度下，其磨损寿命优于MoS2作为润滑腊的添加剂，能显著提高部件的支承负荷和降低润滑部件的表面温度。
低氟化度氟化石墨外观为灰黑色热稳定性较差，一般不作润滑剂使用氟化石墨具有较大的润湿接触角和、及较低的表面能，其接触角如表5-64所示。
表5-64 氟化石墨在30℃以下的接触角表（度）试样名称 NaOH30% NaO17% 水甘油甲醇胺 14烷醇121 116。
117 100 96 ---- -- 102 102 95 --146 139 143 151 126 103-- -- 141 145 129 --108 96 96 77 75 52氟化石墨仍保持层状构造，但和原来晶体比较，其层间分子间力弱得多。
由于氟原子的插入和层间相对滑动而使基面叠层发生变化，出现AAA构造，它可以看作是共价键的氟插入石墨层间而形成的石墨层间化合物。
故具有一般氟化物所不同的物理化学性质。
从表5-6所可知，氟化石墨具有亲水亲油性，其独特之处是低面能和高润滑性，是一种新型的功能材料。
2、用途：关于氟化石墨的研究历时已久，早在1914年RUH等通过控制爆炸和燃烧反应合成了灰色的氟化石墨-CF0.29，到了四十年代Ruidorff通过严密控制反应温度合成CF0.67~0.985氟化石墨，1948年美国人potim等在420~4500C条件下合成了（CF1.04）n高氟化度石墨。
但早期的研究停留在合成产物的射线分析上，至于其他物化性质及开发利用研究还是近期的事，特别是近年美国NASA报导了氟化石墨优异的润滑性能的研究成果以及氟化石墨作为高能电池活性能的研究结果以及氟化石墨作为高能电池活性物质重要材料引起了国内外研究工作者的注意，使得以其为中心的研究十分活跃，氟化石墨成为一研究热点，被认为是一种很有希望石墨间化合物。
石墨层间化合物的合成
石墨转化法可分为静态超高压高温法和动态法两种。
静态超高压高温法 用高压设备压缩传压介质产 生3～10 GPa的超高压，并利用电流通过发热体，将合成腔加 热到l000～2000℃高温。其优点是能较长时间保持稳定的高 温高压条件，易于控制。该法可得到磨料级金刚石，但设备 技术要求高。 动态法 利用动态波促使石墨直接转变成金刚石。 动态冲击波可由爆炸、强放电和高速碰撞等瞬时产生，在被 冲击介质中可同时产生高温高压，使石墨转化为金刚石。该 法作用时间短 ( 仅几微秒 ) ，压力及温度不能分别加以控制， 但装置相对简单，单次装料多，因而产量高。产品为微粉金 刚石，可通过烧结成大颗粒多晶体，但质量较差。
★石墨层间化合物的结构 离子型石墨层间化合物中碳原子基本保持 石墨的平面层状结构，插入层的层间距增大， 未插入层的层间距无变化。石墨层间化合物按 插入层的分布分为不同的阶数: 一阶化合物每 隔 1 个碳原子层插入 1 层反应物，如 C8K; 二价 为每隔2层插入1层反应物，如C24K; 三阶为每 隔3层插入1层反应物，如C36K…… (下图)，依 此类推。据报道已有阶数为15的层间化合物。 右图示出C8K的晶格和K原子的三角形位置。
(一) 碳单质及其衍生物
在学术界，一般认为金刚石、石墨、碳笼原子簇、线型碳 是碳的几种同素异形体。 金刚石，原子晶体，碳原子间以sp3杂化成键； 石墨，混合键型或过渡型晶体，碳原子间以sp2杂化成键； 无定形碳和碳黑都是微晶石墨。 富勒烯(碳笼原子簇)，分子晶体，碳原子间以s0.305p0.695杂化 轨道成键(3条键) ；碳原子上还有1条键(s0.085p0.915); 线型碳，分子晶体，碳原子间以sp杂化成键。 其稳定性为：线型碳＞石墨＞金刚石＞富勒烯。
锂离子与石墨相间化合物
锂离子与石墨相间化合物是指锂离子嵌入石墨层间形成的化合物。
在锂离子电池中，锂离子在负极材料（通常是石墨）和正极材料之间来回移动，实现电池的充电和放电。
当锂离子嵌入石墨层间时，会形成锂-石墨层间化合物，如LiC6等。
这些化合物在石墨层间形成，并随着锂离子的嵌入逐渐增加。
锂-石墨层间化合物具有较高的理论比容量，能够提供较高的能量密度。
在锂离子电池的充放电过程中，石墨作为负极材料能够可逆地嵌入和脱出锂离子，从而实现电池的高能量密度和长寿命。
锂离子与石墨相间化合物的形成机理涉及到物理和化学过程。
在锂离子嵌入石墨层间的过程中，锂离子通过溶剂化作用进入电解液中，然后扩散到石墨表面。
在石墨表面，锂离子去溶剂化后穿过固态电解质膜（SEI膜），并嵌入石墨层间。
在这个过程中，锂离子在石墨层间的扩散速率和嵌入速率受到多种因素的影响，如电解液的组成、锂离子的浓度、温度等。
总之，锂离子与石墨相间化合物是实现锂离子电池高能量密度和长寿命的重要机制之一。
了解和优化这种化合物的形成机理和性能特征对于发展高性能的锂离子电池具有重要意义。
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插入物质后层间距可以增大数十倍，特别是可膨胀石墨， 由于层间插入物受热汽化产生的膨胀力可以克服层间结合 的分子间力，从而沿c轴方向膨胀了数十倍到数百倍
第二节 石墨层间化合物的制备
常用的石墨层间化合物的制备方法主要有： 双室法、液相法、电化学法、溶剂法、熔融法， 此外还有固体加压法、爆炸法和光化学法等方法。
如反应中以FeCl3和A1C13为插层剂，在低温200℃时，首先进 入石墨层间的是A1C13，当A1C13反应到一定程度后，随着反 应温度的升高，A1C13与FeC13发生交换反应，层间A1C13的 含量逐渐减少，而FeCl3的含量逐渐增多，而且在此过程中生 成了FeAlCl6的中间产物。
六 加压法
石墨层间化合物具有广阔的应用前景，目前主要集中在电池材 料、高效催化剂、储氢材料、密封材料、高导电材料等方面。
插入剂：碱金属、卤素系来说，主要分为两大 类： ➢插入层的电子向石墨层转移．称为施主型插层化合物，
例如：碱金属、碱土金属、稀土金属等形成的插层化 合物； ➢石墨层的电子向插入层转移，称为受主型插层化合物，
插入物质插层的过程就是一个电子转移的过程。 对于离子型GIC，插入物质的原子或分子以离子的形式存在 于范德华力间隙中。 ✓施主型GIC中，插入物质失去电子成为正离子，如K—GIC； ✓受主型GIC，插入物质获得电子成为负离子，如Br—GIC。
四、层间距增大
插入物质进入石墨主体后，在高温下石墨主体体积发生膨 胀，这是由于碳层层间距增大的结果。
缺点： 形成的产物不稳定，如果液相中组分多，还可以形
成不稳定的多元石墨层间化合物。 用液相法合成低硫GIC，通过使用双氧水替代了部分浓硫酸，
得到低硫产品，说明液相物质多元化，可根据具体的要求选择 相应的反应物。
三、电化学法
目前，主要以插入物的溶液，包括有机溶液和无机溶液或熔 融盐为电解质，以石墨为电极形成的电化学体系。一胶将石墨 作为阳极，通过调节电位、电量去控制产物的阶结构，适于研 究插层反应热力学。
例如：强酸和金属卤化物等形成的插层化合物。
第一节 石墨层间化合物的结构
一、阶结构
GICs晶体结构特点是外来反应物形成了独立的插入物层，并 在石墨的c轴方向形成超点阵。在垂直于碳层平面的方向上， 插入物质以一定周期占据各个范德华力间隙，形成阶梯结构， n阶结构的周期为n。插入物质进入范德华力间隙后，碳层的 堆垛顺序由原来的ABAB(或BABA)变为AA(或BB)。
五、熔融法
直接将石墨与反应物混合，用单热源加热反应而制得石墨层 间化合物。
该法反应速度快，反应系统和过程简单易操作，适于大量合 成。但如何除去反应后附在石墨层间化合物上的反应物，以及获 得阶结构与组成一致的石墨层间化合物是一个值得探索的方面。
用几种插入物混合加热插入石墨形成石墨层间化合物，其原 理就是利用了几种物质混合后共熔点降低，降低了石墨层问化合 物的生成反应温度。
四、 溶剂法
将某些金属或金属盐溶于非水溶剂中与石墨反应，常用 的溶剂有；液氨、SOCl2加有机溶剂(如苯)、萘加二甲氧 基乙烷等。
该法能在常温下大量合成，但反应慢，阶结构难以控制， 易生成三元石墨层间化合物，稳定性差。
K、Li在溶液中插层经过2300℃石墨化的焦炭，生成了三 元化合物；Na插层经过l700℃石墨化的焦炭，生成三元化 合物，溶剂分子共插层与溶剂分子大小有关。
一 双室法
将待插入物质和石墨分别装入耐热玻璃管两侧，使插入物 加热蒸发产生的蒸汽与石墨反应。
实验中插入物质一侧的温度要高于石墨一侧的温度，以利 于插入物质形成蒸汽，同时防止生成的层间化合物在温度 过高时发生分解反应。
碱金属—GIC、卤化物—GIC的合成常用此法。
优点： 可以控制GICs的阶指数和结构，反应结束后易将产物和反
应物分离。 缺点：
反应装置复杂，难以进行大量的合成，且反应时间长，反应 温度高，需在真空条件下操作。
二、 液相法
将呈液态的插入物质与石墨混合，进行反应而生成石墨层间化 合物，反应中温度、时间对产物的阶结构有很大影响。
这种方法设备简单，反应速度也快，对大量样品的合成很有效， 而且可以利用改变原始反应物石墨和插入物的比率达到所希望 的阶结构与组成；如Br—GIC、H2SO4—GIC。
阶梯结构的形成与插入物质的种类、组分、合成等有关。
二、 插入物质的二维有序无序相变
在同一范德华力间隙中，插入物质原子或分子可以不同的概率 占据各间隙位置，形成二维有序结构。这种结构的形成既与插入 物质的种类、组分有关，也与材料的温度有关。随温度的升高 或组分的变化可发生有序无序相变。
三、 电荷转移
将碱土金属和稀土金属等粉末与石墨基体混合后在加压条件 下反应生成M—GIC。采用加压法将锂插入石墨，开辟了一条合 成MGIC的新方法。通过加压法首次将稀土金属Sm、Eu、Tm和 Yb插入石墨层间，开创了稀土石墨层间化合物的合成新途径。
但采用加压法合成M—GICs存在一个问题，即只有当金属的蒸 汽压超过某一阀值时，插入反应才能进行；然而，温度过高， 易引起金属与石墨生成碳化物，发生负反应，所以反应温度 必须调控在一定范围内
该法合成设备简单，合成量大，且产物结构稳定。在石墨层 间化合物合成上，该法不足之处是合成产物的稳定性要比其他 方法差，而且在水溶液中高电流下有副反应发生而很难得到一 阶化合物。
目前，利用电化学法，以FeCl3—HCl，ZnCl2为电解质，已 成功合成了FeCl3一GIC、ZnCl2—GIC，并在KBr的水溶液中， 将溴插入到石墨中，结果石墨质量增加了10％，电阻率下降了 30%
石墨层间化合物(简称GICs)是一种利用物理或化学的方法使 非炭质反应物插入石墨层间，与炭素的六角网络平面结合的 同时又保持了石墨层状结构的晶体化合物
石墨层间化合物不仅保持石墨优异的理化性质，而且由于插 人物质与炭层的相互作用而呈现出独特的物理与化学特性， 如高导电性、同位素分离效应、催化效应、密封效应等，因 此受到物理学家、化学学家和材料学家的重视，随之各个 国家都投人了大量的人力和物力进行研究。目前，全世界已 成功地合成出了400多种石墨层间化合物及其衍生物
第二节 石墨层间化合物的制备
常用的石墨层间化合物的制备方法主要有： 双室法、液相法、电化学法、溶剂法、熔融法， 此外还有固体加压法、爆炸法和光化学法等方法。
如反应中以FeCl3和A1C13为插层剂，在低温200℃时，首先进 入石墨层间的是A1C13，当A1C13反应到一定程度后，随着反 应温度的升高，A1C13与FeC13发生交换反应，层间A1C13的 含量逐渐减少，而FeCl3的含量逐渐增多，而且在此过程中生 成了FeAlCl6的中间产物。
六 加压法
石墨层间化合物具有广阔的应用前景，目前主要集中在电池材 料、高效催化剂、储氢材料、密封材料、高导电材料等方面。
插入剂：碱金属、卤素系来说，主要分为两大 类： ➢插入层的电子向石墨层转移．称为施主型插层化合物，
例如：碱金属、碱土金属、稀土金属等形成的插层化 合物； ➢石墨层的电子向插入层转移，称为受主型插层化合物，
插入物质插层的过程就是一个电子转移的过程。 对于离子型GIC，插入物质的原子或分子以离子的形式存在 于范德华力间隙中。 ✓施主型GIC中，插入物质失去电子成为正离子，如K—GIC； ✓受主型GIC，插入物质获得电子成为负离子，如Br—GIC。
四、层间距增大
插入物质进入石墨主体后，在高温下石墨主体体积发生膨 胀，这是由于碳层层间距增大的结果。
缺点： 形成的产物不稳定，如果液相中组分多，还可以形
成不稳定的多元石墨层间化合物。 用液相法合成低硫GIC，通过使用双氧水替代了部分浓硫酸，
得到低硫产品，说明液相物质多元化，可根据具体的要求选择 相应的反应物。
三、电化学法
目前，主要以插入物的溶液，包括有机溶液和无机溶液或熔 融盐为电解质，以石墨为电极形成的电化学体系。一胶将石墨 作为阳极，通过调节电位、电量去控制产物的阶结构，适于研 究插层反应热力学。
例如：强酸和金属卤化物等形成的插层化合物。
第一节 石墨层间化合物的结构
一、阶结构
GICs晶体结构特点是外来反应物形成了独立的插入物层，并 在石墨的c轴方向形成超点阵。在垂直于碳层平面的方向上， 插入物质以一定周期占据各个范德华力间隙，形成阶梯结构， n阶结构的周期为n。插入物质进入范德华力间隙后，碳层的 堆垛顺序由原来的ABAB(或BABA)变为AA(或BB)。
五、熔融法
直接将石墨与反应物混合，用单热源加热反应而制得石墨层 间化合物。
该法反应速度快，反应系统和过程简单易操作，适于大量合 成。但如何除去反应后附在石墨层间化合物上的反应物，以及获 得阶结构与组成一致的石墨层间化合物是一个值得探索的方面。
用几种插入物混合加热插入石墨形成石墨层间化合物，其原 理就是利用了几种物质混合后共熔点降低，降低了石墨层问化合 物的生成反应温度。
四、 溶剂法
将某些金属或金属盐溶于非水溶剂中与石墨反应，常用 的溶剂有；液氨、SOCl2加有机溶剂(如苯)、萘加二甲氧 基乙烷等。
该法能在常温下大量合成，但反应慢，阶结构难以控制， 易生成三元石墨层间化合物，稳定性差。
K、Li在溶液中插层经过2300℃石墨化的焦炭，生成了三 元化合物；Na插层经过l700℃石墨化的焦炭，生成三元化 合物，溶剂分子共插层与溶剂分子大小有关。
一 双室法
将待插入物质和石墨分别装入耐热玻璃管两侧，使插入物 加热蒸发产生的蒸汽与石墨反应。
实验中插入物质一侧的温度要高于石墨一侧的温度，以利 于插入物质形成蒸汽，同时防止生成的层间化合物在温度 过高时发生分解反应。
碱金属—GIC、卤化物—GIC的合成常用此法。
优点： 可以控制GICs的阶指数和结构，反应结束后易将产物和反
应物分离。 缺点：
反应装置复杂，难以进行大量的合成，且反应时间长，反应 温度高，需在真空条件下操作。
二、 液相法
将呈液态的插入物质与石墨混合，进行反应而生成石墨层间化 合物，反应中温度、时间对产物的阶结构有很大影响。
这种方法设备简单，反应速度也快，对大量样品的合成很有效， 而且可以利用改变原始反应物石墨和插入物的比率达到所希望 的阶结构与组成；如Br—GIC、H2SO4—GIC。
阶梯结构的形成与插入物质的种类、组分、合成等有关。
二、 插入物质的二维有序无序相变
在同一范德华力间隙中，插入物质原子或分子可以不同的概率 占据各间隙位置，形成二维有序结构。这种结构的形成既与插入 物质的种类、组分有关，也与材料的温度有关。随温度的升高 或组分的变化可发生有序无序相变。
三、 电荷转移
将碱土金属和稀土金属等粉末与石墨基体混合后在加压条件 下反应生成M—GIC。采用加压法将锂插入石墨，开辟了一条合 成MGIC的新方法。通过加压法首次将稀土金属Sm、Eu、Tm和 Yb插入石墨层间，开创了稀土石墨层间化合物的合成新途径。
但采用加压法合成M—GICs存在一个问题，即只有当金属的蒸 汽压超过某一阀值时，插入反应才能进行；然而，温度过高， 易引起金属与石墨生成碳化物，发生负反应，所以反应温度 必须调控在一定范围内
该法合成设备简单，合成量大，且产物结构稳定。在石墨层 间化合物合成上，该法不足之处是合成产物的稳定性要比其他 方法差，而且在水溶液中高电流下有副反应发生而很难得到一 阶化合物。
目前，利用电化学法，以FeCl3—HCl，ZnCl2为电解质，已 成功合成了FeCl3一GIC、ZnCl2—GIC，并在KBr的水溶液中， 将溴插入到石墨中，结果石墨质量增加了10％，电阻率下降了 30%
石墨层间化合物(简称GICs)是一种利用物理或化学的方法使 非炭质反应物插入石墨层间，与炭素的六角网络平面结合的 同时又保持了石墨层状结构的晶体化合物
石墨层间化合物不仅保持石墨优异的理化性质，而且由于插 人物质与炭层的相互作用而呈现出独特的物理与化学特性， 如高导电性、同位素分离效应、催化效应、密封效应等，因 此受到物理学家、化学学家和材料学家的重视，随之各个 国家都投人了大量的人力和物力进行研究。目前，全世界已 成功地合成出了400多种石墨层间化合物及其衍生物