ВЛИЯНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ АНОДНОГО ПОТЕНЦИАЛА И ГАЗОНАПОЛНЕНИЯ НА СВОЙСТВА НИТРАТА ГРАФИТА ПРИ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОМ СИНТЕЗЕ
Аннотация
На сегодняшний день растет потребность в изделиях из терморасширенного графита, который широко используется при производстве термо-, химически стойких уплотнений, высокоэффективных сорбентов нефтепродуктов, электродных материалов источников электрохимической энергии. Одним из перспективных способов получения терморасширяющихся соединений графита (ТРСГ) является электрохимический синтез путем анодной обработки порошков графита в растворах минеральных кислот. Нитрат графита, полученный таким способом, обладает высокой степенью терморасширения и низкой коррозионной активностью. Однако промышленный синтез ТРСГ таким способом встречает ряд сложностей, связанный с недостаточной однородностью свойств получаемого продукта. В данном исследовании выполнен анализ параметров анодной обработки порошков графита на эквипотенциальность суспензионного электрода и свойства ТРСГ. Синтез ТРСГ проводили в электрохимической ячейке оригинальной конструкции с подвижным перфорированным поршнем из титана, с помощью которого регулировали усилие прижима анодной корзины к катоду. В качестве электролита использовали 60-% HNO3. Обработку проводили в гальваностатическом режиме при различных значениях анодной плотности тока. В работе установлено, что ключевым фактором, определяющим неравномерность свойств синтезируемого продукта, является градиент газонаполнения электролизера по объему суспензионного электрода. Выделяющийся совместно на аноде кислород задерживается в центральной части анода, снижая электропроводность суспензии, одновременно является дополнительным химическим окислителем. Это приводит к образованию зон с различной степенью окисления графита и получению ТРСГ с различным фазовым составом, что установлено по данным рентгенофазового анализа. Установлено, что в зависимости от места отбора проб из реакционной зоны образцы терморасширенного графита показывают увеличение насыпной плотности от 2,0 до 6,6 г/л. Для повышения равномерности терморасширения графита необходимо оптимизировать конструкции электролизеров для улучшения отвода газов.
Для цитирования:
Братков И.В., Чагин О.В., Донцов М.Г., Ершова Т.В., Савицкий И.А. Влияние распределения анодного потенциала и газонаполнения на свойства нитрата графита при электрохимическом синтезе. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2026. Т. 69. Вып. 9. С. 106-113. DOI: 10.6060/ivkkt.20266909.7109.
Литература
Chung D.D.L. Review graphite. J. Mater. Sci. 2002. V. 37. P. 1475-1489. DOI: 10.1023/A:1014915307738.
Celzard A., Mareche J.F., Furdin G. Modelling of exfo-liated graphite. Progr. Mater. Sci. 2005. V. 50. P. 93-179. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2004.08.002.
Morozov N.S., Kovaleva M.G., Sivolapov P.Y. Tribo-logical Properties of Graphite Foils with Different Densities and Particle Sizes. Nanomaterials. 2024. V. 14. N 18. 1499. DOI: 10.3390/nano14181499.
Jaszak P. Modeling of the elastic properties of compressed expanded graphite. Int. J. Pressure Vessels Piping. 2020. V. 187. 104158. DOI: 10.1016/j.ijpvp.2020.104158.
Kadoshnikov V.M., Zadvernyuk G.P., Patsvala B.R. A Composite Magnetosensitive Sorbent Based on the Ex-panded Graphite for the Clean-Up of Oil Spills. C — J. Carbon Res. 2023. V. 9. N 2. 39. DOI: 10.3390/c9020039.
Toyoda M., Inagaki M. Sorption and Recovery of Heavy Oils by Using Exfoliated Graphite. Spill. Sci. Technol. Bull. 2003. V. 8. N 5-6. P. 467-474. DOI: 10.1016/S1353-2561(03)00131-2.
Xu J., Dou Y., Wei Z. Recent Progress in Graphite Intercalation Compounds for Rechargeable Metal (Li, Na, K, Al)-Ion Batteries. Adv. Sci. 2017. V. 4. N 10. 1700146. DOI: 10.1002/advs.201700146.
Lu A., Zhang X., Chen Y. Metal chloride–graphite intercalation compounds for rechargeable metal‐ion batteries. Carbon Energy. 2024. V. 6. N 10. P. e600. DOI: 10.1002/cey2.600.
Sorokina N.E., Monyakina L.A., Maksimova N.V., Avdeev V.V. Potentials of Graphite Nitrate Formation during Spontaneous and Electrochemical Graphite Intercalation. Inorg. Mater. 2002. 38. P. 482–489. DOI: 10.1023/A:1015423105964.
Saidaminov M.I., Maksimova N.V., Zatsepin A.F. Thermal decomposition of graphite nitrate. Carbon. 2013. V. 59. P. 337-343. DOI: 10.1016/j.carbon.2012.11.020.
Saikam L., Senthilnathan J., Yoshimura M. A review on exfoliated graphite: Synthesis and applications. Inorg. Chem. Commun. 2023. V. 152. 110685. DOI: 10.1016/ j.inoche.2023.110685.
Dimiev A.M., Tour J.M. Mechanism of graphene oxide formation. ACS Nano. 2014. V. 8. N 3. P. 3060-3068. DOI: 10.1021/nn500606a.
Matsuo Y., Kondo Y., Ito Y. Electrochemical intercalation of anions into graphite: Fundamental aspects, material synthesis, and application to the cathode of dualion batteries. ChemistryOpen. 2024. V. 13. N 8. P. e202300244. DOI: 10.1002/open.202300244.
Yakovleva E.V., Yakovlev A.V., Finaenov A.I. Electro-chemical Synthesis of Thermally Expandable Graphite Compounds in Nitrate Electrolyte. Russ. J. of Appl. Chem. 2002. 75. P. 1598–1604. DOI: 10.1023/A:1022211314477.
Besenhard J.O., Mohwald H., Nickl J.J. Anodic oxidation of graphite in H2SO4 dilatometry - in situ X-ray dif-fraction - Impedance spectroscopy. Synth. Met. 1983. V. 7. N 3-4. P. 185-192. DOI: 10.1016/0379-6779(83)90046-2.
Scharff P., Xu Z.Y., Stumpp E. Reversibility of the intercalation of nitric acid into graphite. Carbon. 1991. V. 29. N 1. P. 31-37. DOI: 10.1016/0008-6223(91)90091-V.
Finayonov A.I., Yakovlev A.V., Yakovleva E.V. Electrochemical production of thermally expandable graphite compounds for carbon-containing composites. Vestn. SGTU. 2011. N 2. P. 75-85. (in Russian).
Sorokina N.E., Maksimova N.V., Avdeev V.V. Anodic oxidation of graphite in 10-98% HNO3 solutions. Inorg. Mater. 2001. V. 37. N 4. P. 360-365. DOI: 10.1023/A:1017575710886.
Placke T., Fromm O., Lux S.F. Dualion cells based on anion intercalation into graphite from ionic liquid-based electrolytes. J. Power Sour. 2012. V. 200. P. 83-91. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2012.03.070.
Read J.A. In-Situ Studies on the Electrochemical Intercalation of Hexafluorophosphate Anion in Graphite with Selective Cointercalation of Solvent. J. Phys. Chem. C. 2015. V. 119. N 16. P. 8438-8446. DOI: 10.1021/jp5115465.
Bratkov I.V., Dontsov M.G., Ershova T.V. Study of electrochemically dispersed graphite as an electrically conductive additive in electrochemical double-layer capacitors. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2023. V. 66. N. 9. P. 83–88 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20236609.6870.
Wang H., Zhang X., Liu Y. High-Yield and High-Throughput Production of Graphene via Confined Space Electrochemical Exfoliation in Strong Alkaline Electrolyte. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2017. V. 9. N 39. P. 34456-34466. DOI: 10.1021/acsami.7b09401.
Yakovlev A.V., Yakovleva E.V., Finayonov A.I. Study of electrochemical intercalation of graphite in HNO3 so-lutions by chronovoltammetry. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2017. V. 60. N 1. P. 34-39 (in Russian). DOI: 10.6060/tcst.20176001.5342.
Beck F., Krohn H. The mechanism of anodic graphite oxidation in sulfuric acid. Electrochim. Acta. 1986. V. 31. N 8. P. 1019-1026. DOI: 10.1016/0013-4686(86)80016-9.
Kang F., Leng Y., Zhang T.Y. Electrochemical synthesis of graphite intercalation compounds in nitric acid. Car-bon. 1997. V. 35. N 8. P. 1089-1096. DOI: 10.1016/S0008-6223(97)00065-1.
Savitsky O.V., Lysakovskyi V.V. Electric conductivity of resist heating details produced by pressing. Rock-Destroying Metalwork. Instrum. Tech. Technol. Manuf. Appl. 2018. V. 21. P. 295-300.
Bratkov I.V., Ivanov A.D., Kolchin A.D., Savitsky I.A., Smirnov N.N. Investigation of the effect of mechano-chemical activation in a shock-reflective mill on the crystal structure of natural graphite. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2023. V. 66. N 4. P. 68-74 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20236604.6795.
