一、 石墨插層化合物簡(jiǎn)介
石墨是一種典型的二維層狀無(wú)機高分子材料，其層與層之間僅依靠的范德華力結合，碳層之間的結合力弱，間距較大，導致多種化學(xué)物質(zhì)（原子、分子、離子和離子團）可以插入層間空隙，形成石墨插層化合物（Graphite Intercalation Compound, GICs）。
石墨插層化合物（GICs）是一種利用物理或化學(xué)的方法使非碳質(zhì)反應物插入石墨層間，與碳素的六角網(wǎng)絡(luò )平面結合的同時(shí)又保持了石墨層狀結構的晶體化合物。石墨插層化合物不僅保留了石墨原有的理化性質(zhì)，而且由于插入物質(zhì)與碳層之間的相互作用而呈現出石墨與插層物質(zhì)均不具備的一些新的特性，如高電導性、同位素分離效應、催化效應、密封效應等，特別是某些石墨插層材料還出現了超導性能，因此受到物理學(xué)家、化學(xué)學(xué)家和材料學(xué)家的重視，隨之各個(gè)國家都投入了大量的人力和物力進(jìn)行研究。在1999年時(shí)，全世界就已成功合成出了400多種石墨層間化合物及其衍生物，到十二年后的今天，石墨插層化合物的種類(lèi)更為豐富，應用也更為廣泛，它作為導電材料、電池材料、有機化學(xué)反應的試劑和催化劑及密封材料和儲氫材料等都正在或者將會(huì )起到很大的作用。
二、石墨插層化合物的應用
石墨層間化合物在保留了石墨優(yōu)異的理化特性的同時(shí)，又因碳原子平面層與插入物質(zhì)間的相互作用而出現了一系列新的性能，如高電導性、觸媒特性。儲氫特性等。因而作為一種新型的納米級復合材料，顯示了廣闊的應用前景。
2.1 高導電率材料
石墨材料本身是一種半金屬，空穴和載流子濃度相當，呈中性。在石墨層間化合物形成的過(guò)程中， 插入物的插入使其載流子的濃度隨施主型石墨層間化合物中的傳導電子或受主型石墨層間化合物中的空穴的增加而增大，因此導電性能增強，甚至出現超導電性。影響GIC電導率的主要因素是石墨原料、插入物種類(lèi)、合成方法和階結構等。一般石墨化程度高的原料，所得到的GIC電導率也高；插入物種類(lèi)不同，鍵合狀態(tài)，結構不同，將會(huì )對電導率有很大影響。
由五氯化物制備的石墨層間化合物，其室溫電導率達108 S/m，比金屬銅還高，但是五氯化物的腐蝕性和毒性限制了它的生產(chǎn)和應用；過(guò)渡族金屬氯化物（如CuCl2，FeCl3）合成GIC后，其導電性接近銅，達到107 S/m,穩定性高，可在空氣中放置50天以上，電導率變化很小，熱分解溫度達300℃，有廣泛的應用前景。
2.2 電池材料
利用GIC合成和分解時(shí)具有能量轉化的功能有可能用它作為電池電極材料，現在已經(jīng)利用石墨層間化合物的插入和分解反應的特點(diǎn)，成功制成了各種一次和二次電池，特別是二次鋰離子電池的成功開(kāi)發(fā)，已大量地用于市場(chǎng)，二次鋰離子電池具有高能量密度、高工作電壓（3.6V）、循環(huán)型號、無(wú)記憶性、安全及無(wú)污染等特點(diǎn)，主要用于便攜式電子產(chǎn)品，如筆記本和手提電話(huà)，目前正在向動(dòng)力電源方向邁進(jìn)，如電動(dòng)車(chē)等。目前二次鋰離子電池研究的核心問(wèn)題是陽(yáng)極材料的開(kāi)發(fā)。
2.3 密封材料
以濃硫酸、濃硝酸為插層劑和鱗片石墨反應可合成可膨脹石墨，經(jīng)過(guò)高溫膨脹后體積劇烈膨脹，含有許多大孔結構，再經(jīng)過(guò)機械加壓成型可制成柔性石墨，具有耐高低溫、耐腐蝕、耐輻射、不滲透、自潤性、柔軟性、回彈性、低密度、氧化性小、表面活性等許多優(yōu)良的特性，因而有“密封王”的美稱(chēng)。這種材料熱穩定性好，在空氣中的使用溫度為400℃—500℃，作為密封材料使用時(shí)溫度可達600℃，在水蒸汽介質(zhì)中可達650℃。
2.4 催化劑
由于石墨層間化合物的內表面積非常大，而且具有選擇性的吸附作用，所以可以用作催化劑。用.GIC作為催化劑，成本低, 收率高，且容易將反應控制在更加溫和的條件下進(jìn)行。表1顯示了石墨層間化合物作為催化劑的應用實(shí)例。Volpin等將過(guò)渡金屬氯化物石墨層間化合物用NaBH4水溶液、LiAlH4的THF溶液或鈉的液氨溶液還原，制備出Fe、Co、Ni、Mn、Cu、Mo的過(guò)渡族金屬石墨層間化合物，并把Fe、Ni、Co等的石墨層間化合物作為催化劑在850—1200℃、60—90×105kPa的條件下用于合成金剛石。FeCl3—GIC用H2還原后使石墨層間只剩下鐵原子，此時(shí)可以用作鐵催化劑。同樣，溴與石墨合成的Br—GIC也可提高溴化反應的選擇性，且催化效率高。
表1 石墨層間化合物作為催化劑的應用實(shí)例
2.5 儲氫材料和同位素分離材料
堿金屬石墨層間化合物，如K—GIC,做儲氫材料，每100g的KC24可儲氫13.71L。K—GIC的一階層間化合物KC8在常溫下就可吸收氫的KC24具有與一階KC8不同的同位素效應。KC8在吸附過(guò)程中濃縮了H，而KC24濃縮了重氫（D），具有不同的同位素分離效應，可用來(lái)分離H同位素。此外，堿土金屬Ba—GIC是否也具有儲氫效果仍處于研究之中。
石墨插層化合物得應用方面，其作為電池材料、儲氫材料的應用將逐漸擴大。二次鋰離子電池的開(kāi)發(fā)帶來(lái)了便攜電源的革命，使得移動(dòng)電話(huà)成為當代主要的信息工具。此外，利用膨脹石墨作為環(huán)境保護工程材料也是石墨層間化合物的發(fā)展方向。膨脹石墨具有多級孔結構，具有優(yōu)良的吸附性能，因此在治理海洋油類(lèi)污染、凈化含油廢水等方面可望作出重大貢獻。
三 石墨插層化合物的超導性能
高溫超導電性一直是凝聚態(tài)物理學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究課題之一，對高溫超導機理的理解會(huì )促進(jìn)人們對很多被稱(chēng)為電子強關(guān)聯(lián)的一大類(lèi)材料物理本質(zhì)的理解，同時(shí)在科學(xué)和技術(shù)兩個(gè)方面產(chǎn)生飛躍。但是銅基高溫超導材料的超導機制至今仍未解決，科學(xué)家們都希望在銅基超導材料以外再找到新的高溫超導材料，從而能夠從不同的角度去研究高溫超導機制。所以二硼化鎂(MgB2)、鈷酸鈉體系 (Na0.3CoO2·1.3H2O)、氧磷族鐵基超導體(LnOFeAs)等新型超導材料的出現都引起了全世界范圍內的研究熱潮。
表2 常壓下幾種GICs超導體的超導轉變溫度
石墨本身的電性屬半金屬，層間插入某些外來(lái)客體后其電導率可大幅度調節，并可能出現超導電性。第一個(gè)被報導的GICs 超導體是1965年發(fā)現的鉀插層化合物(KC8)，其臨界轉變溫度（Tc）僅為0.15 K。這個(gè)發(fā)現立刻引起了人們廣泛的關(guān)注。因為對合成GICs的任何一種物質(zhì)其單獨并不超導，但合成之后卻能夠產(chǎn)生超導電性。之后對GICs超導體進(jìn)行了大量的研究并發(fā)現了一系列的GICs超導體，表2列出了其中的一部分。但一直以來(lái)阻礙這個(gè)體系繼續發(fā)展的問(wèn)題是其超導轉變溫度太低。直到后來(lái)具有較高轉變溫度的C60 出現后，人們逐漸將注意力轉移到了C60 的研究上。直到2005年Waller 等人在常壓下成功地制得超導轉變溫度分別達6. 5 K 和11. 5 K 的YbC6 和CaC6， 又重新引起了人們對GICs 這一系列超導體的研究興趣, 成為最近超導研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn).，追逐新的更高 Tc 的 GICs 超導材料的合成和有關(guān)超導機理的研究廣泛展開(kāi)。到目前為止，在碳的四種同素異形體石墨、金剛石、碳納米管、C60的插入物或摻雜化合物中都發(fā)現了超導性，顯示出碳在超導領(lǐng)域里的特殊性。而石墨插層化合物作為最早被發(fā)現具有超導電性的物質(zhì)，仍然有許多的問(wèn)題等待我們去研究，而且對這一領(lǐng)域的研究有助于更深入地理解一些基本的超導理論，發(fā)現一些新型的超導體材料。
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