مركب إقحام الجرافيت

يُعد مركب إقحام الليثيوم والجرافيت المادة الفعالة في قطب الأنود لجميع بطاريات الليثيوم أيون المنتجة اليوم تقريبًا. ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}

أثبت يورغن أوتو بيزنارد في أواخر سبعينيات القرن الماضي إمكانية إدخال الليثيوم بين طبقات الجرافيت كمادة قطب موجب. ^{[ 6 ] [ 7 ]} وبعد ذلك بوقت قصير، أثبتت سمر باسو تحضير الجرافيت المحتوي على الليثيوم بالطرق الكيميائية. ^{[ 8 ] [ 9 ]} ثم، في عام 1983، أثبت رشيد يزامي إمكانية إدخال الليثيوم بشكل عكسي في الجرافيت عند درجة حرارة الغرفة باستخدام مذيب أكسيد البولي إيثيلين . ^{[ 10 ]} لاحقًا، تم دمج الجرافيت مع مواد القطب السالب لتكوين بطارية أيونات الليثيوم عالية الجهد؛ انظر تاريخ بطارية أيونات الليثيوم لمزيد من التفاصيل.

يخضع الجرافيت لسلسلة من المراحل التي تتوافق مع التغيرات المنتظمة في إقحام الليثيوم في طبقاته. ^{[ 11 ]} يتميز مركب LiC6GIC _، الذي يتكون من طبقات متناوبة من الليثيوم والجرافين، بسعة نظرية تبلغ 372 مللي أمبير/غرام. ^{[ 12 ] [ 13 ]} يرتبط هذا السلوك المرحلي أيضًا بتغير في اللون - فمع إقحام الليثيوم، يتغير اللون من الأزرق إلى الأحمر ثم إلى الذهبي. ^{[ 14 ]}

يُعدّ مركب KC8 _، أحد أكثر مركبات إقحام الجرافيت دراسةً، ويُحضّر بصهر البوتاسيوم فوق مسحوق الجرافيت. يمتص الجرافيت البوتاسيوم، ويتغير لون المادة من الأسود إلى البرونزي. ^{[ 15 ]} المادة الصلبة الناتجة قابلة للاشتعال التلقائي . يُفسّر تركيبها بافتراض أن المسافة بين ذرات البوتاسيوم تساوي ضعف المسافة بين السداسيات في هيكل الكربون. الرابطة بين طبقات الجرافيت الأنيونية وأيونات البوتاسيوم أيونية. الموصلية الكهربائية للمادة أعلى من موصلية الجرافيت ألفا. ^{[ 16 ] [ 17 ]} يُعتبر KC8 موصلًا فائقًا _ذو درجة حرارة حرجة منخفضة جدًا _Tc =0.14  كلفن . ^{[ 18 ]} يؤدي تسخين KC ₈ إلى تكوين سلسلة من نواتج التحلل حيث يتم التخلص من ذرات البوتاسيوم:

3 KC ₈ → KC ₂₄ + 2 K

عبر المركبات الوسيطة KC ₂₄ (الأزرق اللون)، ^{[ 15 ]} KC ₃₆ ، KC ₄₈ ، ينتج في النهاية المركب KC _{60 .}

تُلاحظ النسبة المولية MC ₈ عندما تكون M = K و Rb و Cs. أما بالنسبة للأيونات الأصغر M = Li⁺ و Sr²⁺ و Ba²⁺ و Eu²⁺ و ^Yb³⁺ و Ca²⁺ ^، فإن النسبة ^{المولية} الحدية ^{هي MC} 6. [ 18 _] ^يُحضّر جرافيت الكالسيوم _CaC₆ ^{بغمر جرافيت بيروليتي} عالي التوجيه في سبيكة Li-Ca سائلة لمدة 10 أيام عند 350 درجة مئوية (662 درجة فهرنهايت) . ينتمي التركيب البلوري لـ _CaC₆ إلى المجموعة الفراغية R 3 m. تزداد المسافة بين طبقات الجرافيت عند إدخال الكالسيوم من  من 3.35 إلى 4.524  أنغستروم ، وتزداد المسافة بين ذرات الكربون من1.42 إلى 1.444  أنجستروم .

مع الباريوم والأمونيا ، يتم إذابة الكاتيونات، مما يعطي القياس المتكافئ ( _{Ba (NH3)2.5C10.9 (} المرحلة 1 ₎ ) _أو تلك _التي تحتوي على السيزيوم والهيدروجين والبوتاسيوم ( CsC8 · K2H4 / 3C8 ( المرحلة 1 ₎ ).

تمت ملاحظة الامتزاز الموضعي على الجرافين الحر والتداخل في الجرافين ثنائي الطبقة للمعادن القلوية البوتاسيوم والسيزيوم والليثيوم باستخدام المجهر الإلكتروني منخفض الطاقة. ^{[ 19 ]}

على عكس الفلزات القلوية الأخرى، فإن كمية إدخال الصوديوم في الجرافيت ضئيلة للغاية. تُظهر حسابات ميكانيكا الكم أن هذا ناتج عن ظاهرة عامة: فمن بين الفلزات القلوية والقلوية الترابية، يتميز الصوديوم والمغنيسيوم عمومًا بأضعف ارتباط كيميائي بالركيزة، مقارنةً بالعناصر الأخرى في نفس المجموعة من الجدول الدوري. ^{[ 20 ]} تنشأ هذه الظاهرة من التنافس بين اتجاهات طاقة التأين واقتران الأيون بالركيزة، نزولًا في أعمدة الجدول الدوري. ^{[ 20 ]} مع ذلك، يمكن أن يحدث إدخال كبير للصوديوم في الجرافيت في الحالات التي يُغلّف فيها الأيون بغلاف مذيب من خلال عملية الإدخال المشترك. كما تم إدخال نوع معقد من المغنيسيوم (I) في الجرافيت. ^{[ 21 ]}

يمكن تحضير مركبات التداخل، مثل كبريتات الجرافيت وبيركلورات الجرافيت، بمعالجة الجرافيت بعوامل مؤكسدة قوية في وجود أحماض قوية. وعلى عكس جرافيت البوتاسيوم والكالسيوم، تتأكسد طبقات الكربون في هذه العملية.

48 C + O + 6 H ₂ SO ₄ → 2 ( [ C ₂₄ ] ⁺ [ HSO ₄ ] ⁻ · 2H ₂ SO ₄ ) + H ₂ O

في بيركلورات الجرافيت، تفصل بين طبقات ذرات الكربون المستوية مسافة 794 بيكومتر ، وتفصل بينها أيونات ClO⁻⁴ . ويُشابه الاختزال الكاثودي لبيركلورات الجرافيت تسخين KC₈ _، مما يؤدي إلى إزالة متسلسلة _لـ HClO₄ .

_{يُعد كلٌّ من} كبريتات الجرافيت وبيركلورات الجرافيت موصلين أفضل من الجرافيت، وفقًا لما تنبأت به آلية الثقوب الموجبة. ^{[ 16 ] يتفاعل} الجرافيت ^مع [ O₂ ] ^⁺ [ AsF₆ ] ^{⁻ لإنتاج} الملح [ C₈ ] ^⁺ _{[ AsF₆} ] ⁻ ^. [ 16 _]

تتخلل العديد من هاليدات المعادن الجرافيت. وقد حظيت مشتقات الكلوريد بأكبر قدر من الدراسة. ومن الأمثلة على ذلك MCl₂ (حيث M = Zn، Ni، Cu، Mn)، و _{MCl₃ (} حيث M = Al، Fe، Ga)، و _{MCl₄ (} حيث M = Zr، Pt)، وغيرها. ^{[ 1 ]} تتكون هذه المواد من طبقات متراصة من هاليدات المعادن بين صفائح الكربون. ويُظهر المشتق C₈FeCl₃ سلوكًا زجاجيًا مغناطيسيًا _. ^{[ 22 ]} وقد أثبت هذا النظام أنه بيئة خصبة لدراسة التحولات الطورية. تحتوي مركبات التداخل المغناطيسي للجرافيت من المرحلة n على n طبقة من الجرافيت تفصل بين الطبقات المغناطيسية المتتالية. ومع ازدياد عدد المراحل، يضعف التفاعل بين اللفات المغناطيسية في الطبقات المغناطيسية المتتالية، وقد يظهر سلوك مغناطيسي ثنائي الأبعاد.

يتداخل الكلور والبروم بشكل عكسي مع الجرافيت، بينما لا يتداخل اليود. أما الفلور فيتفاعل بشكل غير عكسي. وفي حالة البروم، تُعرف النسب المولية التالية: C _n Br حيث n = 8، 12، 14، 16، 20، و28.

نظرًا لتكوّنه غير العكوس، لا يُصنّف أحادي فلوريد الكربون عادةً كمركب إقحام. صيغته الكيميائية (CF) _ₓ . يُحضّر بتفاعل الفلور الغازي مع الكربون الجرافيتي عند درجة حرارة 215-230 درجة مئوية (419-446 درجة فهرنهايت) . لونه رمادي أو أبيض أو أصفر. الرابطة بين ذرات الكربون والفلور تساهمية. يُحضّر رباعي فلوريد الكربون ( C₄F ) بمعالجة الجرافيت بمزيج من الفلور وفلوريد الهيدروجين عند درجة حرارة الغرفة. لونه أزرق داكن مائل _للسواد . أحادي فلوريد الكربون غير موصل للكهرباء. دُرِسَ كمادة كاثود في نوع من بطاريات الليثيوم الأولية (غير القابلة لإعادة الشحن) .  

أكسيد الجرافيت مادة صلبة صفراء غير مستقرة.

من بين مركبات التداخل الجرافيتي فائقة التوصيل، يُظهر CaC6 أعلى درجة _حرارة حرجة Tc ₌11.5  كلفن ، والتي تزداد أكثر تحت الضغط المطبق (15.1  كلفن عند 8 جيجا باسكال (79000 ضغط جوي ). ^{[ 18 ]} يُعتقد أن الموصلية الفائقة في هذه المركبات مرتبطة بدور حالة بين الطبقات، وهي عبارة عن نطاق إلكتروني حر يقع على بعد 2 إلكترون فولت تقريبًا (0.32 أتو جول) فوق مستوى فيرمي ؛ ولا تحدث الموصلية الفائقة إلا إذا كانت حالة ما بين الطبقات مشغولة. ^{[ 23 ]} كشف تحليل CaC6 _النقي باستخدام ضوء فوق بنفسجي عالي الجودة عن إجراء قياسات مطيافية انبعاث ضوئي مُحَلَّلة الزاوية . وقد أظهر فتح فجوة موصلية فائقة في نطاق π* مساهمة كبيرة في قوة اقتران الإلكترون-الفونون الكلية من تفاعل نطاق π* بين الطبقات. ^{[ 23 ]}    

تُعدّ مادة KC ₈ ذات اللون البرونزي من أقوى عوامل الاختزال المعروفة. وقد استُخدمت أيضًا كمحفز في عمليات البلمرة وكعامل ربط لهاليدات الأريل مع ثنائي الفينيل . ^{[ 24 ]} في إحدى الدراسات، عُولجت مادة KC ₈ المُحضّرة حديثًا بـ 1-يودودوديكان، مما أدى إلى تعديلها (صفائح كربونية بحجم الميكرومتر مع سلاسل ألكيل طويلة بارزة تُوفر الذوبان) بحيث تذوب في الكلوروفورم . ^{[ 24 ]} كما استُخدم مركب آخر من جرافيت البوتاسيوم، وهو KC ₂₄ ، كموحد لون للنيوترونات. وقد ظهر تطبيق أساسي جديد لجرافيت البوتاسيوم مع اختراع بطارية أيون البوتاسيوم . وكما هو الحال في بطارية أيون الليثيوم ، تستخدم بطارية أيون البوتاسيوم مصعدًا كربونيًا بدلًا من مصعد معدني. وفي هذه الحالة، يُعدّ استقرار بنية جرافيت البوتاسيوم ميزةً مهمة.