Експериментальне і теоретичне дослідження окиснення природного та терморозширеного графіту

D. B. Nasiedkin; A. G. Grebenyuk; I. V. Babich; Yu. V. Plyuto; M. T. Kartel

D. B. Nasiedkin Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України
A. G. Grebenyuk Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України
I. V. Babich Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України
Yu. V. Plyuto Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України
M. T. Kartel Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України

Анотація

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).

Посилання

El-Genk M.S., Tournier J.-M.P. Comparison of oxidation model predictions with gasification data of IG-110, IG-430 and NBG-25 nuclear graphite // Journal of Nuclear Materials. – 2012. – V. 420. – P. 141–158.

Kane J.J., Karthik C., Ubic R., Windes W.E., Butt D.P. An oxygen transfer model for high purity graphite oxidation // Carbon. – 2013. – V. 59. – P. 49–64.

Kim E.S., No H.C. Experimental study on the oxidation of nuclear graphite and development of an oxidation model // Journal of Nuclear Materials. – 2006. – V. 349. – P. 182–194.

C.I. Contescu, T. Guldan, P. Wang, T.D. Burchell. The effect of microstructure on air oxidation resistance of nuclear graphite // Carbon. – 2012. – V. 50. – P. 3354–3366.

Chen D., Li Z., Miao W., Zhang Z. Effects of porosity and temperature on oxidation behavior in air of selected nuclear graphites // Materials Transactions. – 2012. – V. 53, N 6. – P. 1159–1163.

Thomas J. M. Microscopic studies of graphite oxidation // Chemistry and Physics of Carbon (Ed. P.L. Walker, Jr.). – V. 1. - Marcel Dekker, New York, 1965. – P. 122–202.

Badenhorst H., Rand B., Focke W.W. Modelling of natural graphite oxidation using thermal analysis techniques // J. Therm. Anal. Calorim. – 2010. – V. 99. – P. 211–228.

Jiang W., Nadeau G., Zaghib K., Kinoshita K. Thermal analysis of the oxidation of natural graphite - effect of particle size // Thermochimica Acta. – 2000. – V. 351. – P. 85–93.

Zaghib K., Nadeau G., Kinoshita K. Effect of graphite particle size on irreversible capacity loss // J. Electrochem. Soc. – 2000. – V. 147, N 6. – P. 2110–2115.

Zaghib K., Song X., Kinoshita K. Thermal analysis of the oxidation of natural graphite: isothermal kinetic studies // Thermochimica Acta. – 2001. – V. 371. – P. 57–64.

Badenhorst H., Focke W. Comparative analysis of graphite oxidation behaviour based on microstructure // J. Nuclear Mater. – 2013. – V. 442. – P. 75–82.

Badenhorst H. Microstructure of natural graphite flakes revealed by oxidation: Limitations of XRD and Raman techniques for crystallinity estimates // Carbon. – 2014. – V. 66. – P. 674–690.

Nuclear Graphite. (Ed. by R. E. Nightingale). – Academic Press Inc., New York. – 1962. – 547 p.

Powder technology handbook. – 3rd ed (Eds. Masuda H., Higashitani K., Yoshida H.). – CRC Press Taylor and Francisc Group. – 2006. – 878 p.

Schmidt M.W., Baldridge K.K., Boatz J.A. et al. General atomic and molecular electronic – structure system: Review // J. Comput. Chem. – 1993. – V. 14. – P. 1347–1363.

Grimme S., Antony J., Ehrlich S., and Krieg H. A consistent and accurate ab initio parametrization of density functional dispersion correction (DFT-D) for the 94 elements H-Pu // J. Chem. Phys. – 2010. – V. 132, N 15. – P. 154104/1 – 154104/19.

Fukuda K., Kikuya K., lsono K. et al. Foliated natural graphite as the anode material for rechargeable lithium-ion cells // J. Power Sources. – 1997. – V. 69, N 1–2. – P. 165–168.

Sun G., Li X., Qu Y. et al. Preparation and characterization of graphite nanosheets from detonation technique // Materials Letters. – 2008. – V. 69, N 4–5. – P. 703–706.

Walker P.L., MacKinstry H.A., Pustinger J.V. X-Ray Diffraction studies on carbon gasification // Industrial and engineering chemistry. – 1954. – V. 46, N 8. – P. 47–55.

Patterson A.L. The Scherrer Formula for X-Ray Particle Size Determination // Physical Rev. – 1939. – V. 56, N 10. – P. 978–982.

Warren B.E. X-Ray Diffraction. - New York: Dover Publications Inc., 1990. – 381 p.

Taylor A. On the measurement of particle size by the X-ray method // Phil. Magazine Series 7. – 1941. – V. 31, N 207. – P. 339 – 347.

Bragg W.L. The Diffraction of Short Electromagnetic Waves by a Crystal // Proc. Cambridge Phil. Soc. – 1913. – V. 17. – P. 43–57.

Sing K.S.W., Everett D.H., Haul R.A.W. et al. Reporting physisorption data for gas/solid systems with special reference to the determination of surface area and porosity (recommendations) // Pure Appl. Chem. – 1985. – V. 57, N 4. – P. 603–619.

Насєдкін Д.Б., Бабич І.В., Плюто Ю.В. Вивчення графенових наноблоків в терморозширеному графіті // Доп. НAH України. – 2011. – № 10. – С. 119–124.

CRC Handbook of Chemistry and Physics, 90th ed. (Ed.-in-Chief Lide D.R.) // Taylor and Francis Group LLC. – 2010. – 2760 p.

Magampa P.P., Manyala N., Focke W.W. Properties of graphite composites based on natural and synthetic graphite powders and a phenolic novolac binder // Journal of Nuclear Materials. – 2013. V, N 1–3. – P. 76–83.

Honda T., Saito T., Horiguchi Y. A D. T. A. Study on the Oxidation of Carbon and Graphite // Tanso. – 1973. – V. 1973. – N 72. – P. 14–20.

Zhao Y., Truhlar D.G. A prototype for graphene material simulation: structures and interaction potentials of coronene dimers // J. Phys. Chem. C. – 2008. – V. 112, N 11. – P. 4061–4067.

Ruuska H., Pakkanen T.A. Ab Initio Study of Interlayer Interaction of Graphite: Benzene-Coronene and Coronene Dimer Two-layer Models // J. Phys. Chem. B. – 2001. – V. 105, N 39. – P. 9541–9547.

Zhikol O.A., Shishkin O.V., Lyssenko K.A., Leszczynski J. Electron density distribution in stacked benzene dimers: A new approach towardz the estimation of stacking interaction energies // J. Chem. Phys. – 2005. – V. 122, N 14. – P.144104/1–144104/8.

Tauer T.P., Sherill C.D. Beyond the benzene dimer: an investigation of the additivity of π- π interactions // J. Phys. Chem. A. – 2005. – V. 109, N 46. – P.10475–10478.