ХІМІЯ, ФІЗИКА ТА ТЕХНОЛОГІЯ ПОВЕРХНІ

ISSN 2518-1238 (Online), ISSN 2079-1704 (Print)

Вуглецеві матеріали з графітоподібною структурою мають найбільшу термічну стійкість за неокисного середовища, достатню конструкційну міцність, легко обробляються.

 Саме тому вони мають широке застосування в різних галузях техніки. Існують два методи одержання таких матеріалів: піроліз (карбонізація) вуглеводнів та переробка природного графіту - так звана «технологія терморозширеного графіту» (ТРГ), яка полягає в послідовних реакціях інтеркалювання, гідролізу та термообробки природного графіту. При цьому відбувається  модифікація поверхні частинок ТРГ, що надає їм здатності до пресування та прокатування на вальцях з утворенням щільних матеріалів.

Для виробництва ТРГ, із якого одержують ущільнюючі матеріали для обладнання підприємств загальнопромислового призначення (паливно-енергетичного комплексу, нафтохімічної промисловості, комунальних господарств тощо), використовують природний графіт із вмістом вуглецю 99.0–99.5 мас. %. В той час як для обладнання атомних електростанцій потрібні матеріали з ТРГ так званої «атомної чистоти», в яких вміст вуглецю має бути не нижче 99.85 мас. %.

Тому метою роботи є розробка методики отримання терморозширеного графіту високої чистоти шляхом електрохімічного окиснення та доочистки флотаційно збагаченого графіту. Процес одержання складає два етапи: електрохімічне інтеркалювання графіту концентрованою сульфатною кислотою з подальшим гідролізом, і хімічна доочистка з використанням очищаючих реагентів - біфториду амонію та Трилону Б. Така доочистка електрохімічно окисненого графіту дозволяє одержати ТРГ високої чистоти з вмістом вуглецю 99.94–99.96 мас. %.

Для встановлення закономірностей взаємодії Трилону Б з іонами металів, що входять до складу домішок графіту, було проведено квантовохімічне моделювання цих процесів.

Енергетичний ефект взаємодії катіона заліза (ІІІ) за абсолютною величиною більший (–969.1 кДж/моль), ніж у випадку з катіоном алюмінію (–748.3 кДж/моль) як у водному середовищі, так і у адсорбованому стані на поверхні графенової площини (–816.9 для Fe³⁺ і –621.2 кДж/моль для Al³⁺).

Незалежно від природи катіона, його вилучення Трилоном-Б є більш енергетично вигідним з водного розчину, ніж з адсорбованого на поверхні графеноподібної площини стану.

1. Kang F., Zheng Y.-P., Wang H.-N., Nishi Y., Inagaki M. Effect of preparation conditions on the characteristics of exfoliated graphite. Carbon. 2002. 40(9): 1575. https://doi.org/10.1016/S0008-6223(02)00023-4

2. Asghar H.M.A., Hussain S.N., Sattar H., Brown N.W., Roberts E.P.L. Potential Graphite Materials for the Synthesis of GICs. Chem. Eng. Commun. 2015. 202(4): 508. https://doi.org/10.1080/00986445.2013.850580

3. Abdillah O.B., Floweri O., Mayangsari T.R., Santosa S.P., Ogi T., Iskandar F. Effect of H2SO4/H2O2 pre-treatment on electrochemical properties of exfoliated graphite prepared by an electro-exfoliation method. RSC Adv. 2021. 11(18): 10881. https://doi.org/10.1039/D0RA10115J

4. Inagaki M., Iwashita N., Kouno E. Potential change with intercalation of sulfuric acid into graphite by chemical oxidation. Carbon. 1990. 28(1): 49. https://doi.org/10.1016/0008-6223(90)90092-D

5. Goudarzi R., Hashemi Motlagh G. The effect of graphite intercalated compound particle size and exfoliation temperature on porosity and macromolecular diffusion in expanded graphite. Heliyon. 2019. 5(10): e02595. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2019.e02595

6. Liu T., Zhang R., Zhang X., Liu K., Liu Y., Yan P. One-step room-temperature preparation of expanded graphite. Carbon. 2017. 119: 544. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2017.04.076

7. Hristea G., Budrugeac P. Characterization of exfoliated graphite for heavy oil sorption. J. Therm. Anal. Calorim. 2008. 91: 817. https://doi.org/10.1007/s10973-006-7465-x

8. Wang L., Fu X., Chang E., Wu H., Zhang K., Lei X., Yang Y. Preparation and Its Adsorptive Property of Modified Expanded Graphite Nanomaterials. J. Chem. 2014. 2014(3): 1. https://doi.org/10.1155/2014/678151

9. Çalın Ö., Kurt A., Çelik Y. Influence of expansionconditions and precursor flake size on porous structure of expanded graphite. Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures. 2020. 28(8): 611. https://doi.org/10.1080/1536383X.2020.1726894

10. Sementsov Yu.I., Revo S.L., Ivanenko K.O., Hamamda S. Expanded Graphite and Its Composites. (Kyiv: PH "Akademperiodyka", 2019).

11. Evans R.J., Rustad J.R., Casey W.H. Calculating Geochemical Reaction Pathways - Exploration of the Inner-Sphere Water Exchange Mechanism in Al(H2O)63+(aq) + nH2O with ab Initio Calculations and Molecular Dynamics. J. Phys. Chem. A. 2008. 112(17): 4125. https://doi.org/10.1021/jp7116888

12. Esmaeilbeig M.A., Khorram M., Ayatollahi S., Zolghadr A.R. On the hydrolysis of ironions: DFT-based molecular dynamic perspective. J. Mol. Liq. 2022. 367(Part A): 120323. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2022.120323

13. Zheng X., Wu X., Zhang L., Kang J., Zhou M., Zhong Y., Zhang J., Wang L. High spin Fe3+-related bonding strength and electron transfer for sensitive and stable SERS detection. Chem. Sci. 2022. 13(42): 12560. https://doi.org/10.1039/D2SC03998B

14. Qinqin Yuan, Xiang-Tao Kong, Gao-Lei Hou, Ling Jiang, Xue-Bin Wang. Photoelectron spectroscopic and computational studies of [EDTA·M(III)]− complexes (M = H3, Al, Sc, V-Co). Phys. Chem. 2018. 20(29): 19458. https://doi.org/10.1039/C8CP01548A

15. Cendic M., Deeth R.J., Meetsma A., Garribba E., Sanna D., Matovic Z.D. Chelating properties of EDTA-type ligands containing six-membered backbone ring toward copper ion: Structure, EPR and TD-DFT evaluation. Polyhedron. 2017. 124: 215. https://doi.org/10.1016/j.poly.2016.12.025

16. Foreman M.M., Weber J.M. Ion Binding Site Structure and the role of water in alkaline earth EDTA complexes. J. Phys. Chem. Lett. 2022. 13(36): 8558. https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.2c02391

17. Barca G., Bertoni C., Carrington L. Recent developments in the general atomic and molecular electronic structure system. J. Chem. Phys. 2020. 152: 154102. https://doi.org/10.1063/5.0005188

18. Lee C., Yang W., Parr R.G. Development of the Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron density. Phys. Rev. B. 1988. 37(2): 785. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.37.785

19. Becke A.D. Density functional thermochemistry. III. The role of exact exchange. J. Chem. Phys. 1993. 98(7): 5648. https://doi.org/10.1063/1.464913

20. Grimme S., Ehrlich S., Goerigk L. Effect of the damping function in dispersion corrected density functional theory. J. Comput. Chem. 2011. 32(7): 1456. https://doi.org/10.1002/jcc.21759

21. Grimme S. Density functional theory with London dispersion corrections. WIREs Comput. Mol. Sci. 2011. 1(2): 211. https://doi.org/10.1002/wcms.30

22. Cossi M., Barone V., Cammi R., Tomasi J. Ab initio study of solvated molecules: a new implementation of the polarizable continuum model. Chem. Phys. Lett. 1996. 255(4-6): 327. https://doi.org/10.1016/0009-2614(96)00349-1

23. Tomasi J., Mennucci B., Cammi R. Quantum Mechanical Continuum Solvation Models. Chem. Rev. 2005. 105(8): 2999. https://doi.org/10.1021/cr9904009

24. Chernysh I.G., Karpov I.I., Prikhod'ko G.P., Shai V.M. Physicochemical properties of graphite and its compounds. (Kyiv: Naukova Dumka, 1990). [in Russian].

25. Eckert S., Mascarenhas E.J., Mitzner R., Jay R.M., Pietzsch A., Fondell M., VazdaCruz V., Föhlisch A. From the Free Ligand to the Transition Metal Complex: FeEDTA− Formation Seen at Liga nd K-Edges. Inorg. Chem. 2022. 61(27): 10321. https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.2c00789

26. Roger Hart J. Ethylenediaminetetraacetic acid and related chelating agents. Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. 2003. 13: 573.