Експериментальне і теоретичне дослідження окиснення природного та терморозширеного графіту

Abstract

Термогравіметричним методом вивчений процес окиснення повітрям зразків природного та терморозширеного графіту з площею питомої поверхні відповідно 1 та 32 м²/г. Підтверджено що, зростання питомої поверхні відбувається переважно за рахунок розшарування природного графіту вздовж базальної площини під час терморозширення. Встановлено, що температура максимальної швидкості окиснення зразка терморозширеного графіту на 150 °С нижча ніж у випадку природного графіту, що обумовлено зростанням його дисперсності внаслідок утворення графенових наноблоків товщиною близько 30–35 нм в результаті терморозширення. З використанням квантовохімічних розрахунків кластерних моделей графіту з трьох молекул коронену C₂4H₁₂ показано, що окиснення графіту киснем з утворенням дефектних структур і молекули СО₂ є енергетично вигідним лише шляхом видалення атома вуглецю з бічної поверхні графіту (енергетичний ефект реакції –325 кДж/моль).

The process of air oxidation of natural and thermally expanded graphite samples with specific surface area of 1 and 32 m²/g, respectively, was investigated by thermogravimetric method. It has been proved that the increase of the surface area of expanded graphite occurs mainly due to exfoliation of natural graphite along the basal plane during thermal expansion. It has been found out that the temperature of maximum oxidation rate of the expanded graphite is 150 °C lower than that of the natural graphite due its dispersion increase because of the formation of graphene nanoblocks with thickness of about 30–35 nm as a result of thermal expansion. The quantum chemical calculations of graphite cluster models formed by three coronene C₂₄H₁₂ molecules have confirmed that air oxidation of graphite resulting in the formation of defect structures and CO₂ is energetically favorable only by removing carbon atom from the lateral surface of graphite (the reaction energy of –325 kJ/mol).

Термогравиметрическим методом изучен процесс окисления воздухом природного и терморасширенного графита с площадью удельной поверхности соответственно 1 и 32 м²/г. Подтверждено, что увеличение площади удельной поверхности происходит преимущественно за счёт расслоения природного графита вдоль базальной плоскости во время термического расширения. Установлено, что температура максимальной скорости окисления образца терморасширенного графита на 150 °С ниже, чем в случае природного графита, что обусловлено возростанием его дисперсности вследствие образования графеновых наноблоков толщиной около 30–35 нм в результате терморасширения. С использованием квантовохимических расчётов кластерных моделей графита из трёх молекул коронена C₂₄H₁₂ показано, что окисление графита кислородом с образованием дефектных структур и молекулы СО₂ энергетически выгодно лишь путём удаления атома углерода с боковой поверхности графита (энергетический эффект реакции –325 кДж/моль).