石墨层间化合物介绍及分类

石墨层间化合物，是指石墨的碳原子平面间插有金属原子、氟、溴等异类物质的化合物。

广义的石墨层间化合物可分为两类，一类是层平面内的碳原子和层间的反应物质，以共价键牢固地结合，这一类化合物由于共价键相当牢固，从而使石墨失去导电性，变成了绝缘体，因此，将这类化合物称之为非传导性的层间化合物，氟化石墨属于这一类。另一类层间化合物是碳的层平面和反应物之间的键比较弱，碳原子并不失去芳香族的平面性，层间反应物也不会失去原有的分子性质，这类化合物是一种分子化合物，称之为传导性层间化合物。另外，按插入层间的客体和主体石墨的作用，可将石墨层间化合物划分为:插入物和石墨间有电荷的转移，二者之间产生静电引力（电荷移动型）；插入物与碳原子形成共价键（共价键型）。

凡是石墨层间和插入反应物一层间隔一层地有秩序插入的就叫一阶层间化合物，凡是每二层石墨才插入一层反应物的就叫二阶层间化合物，并由此类推。因此，不同阶层化合物的结构不同，石墨层间化合物的结构模型如下图所示：

按插入剂的不同，石墨层间化合物可以分为：金属—石墨及碱土金属—石墨层间化合物、卤族元素—石墨层间化合物、金属卤化物—石墨层间化合物和三元石墨层间化合物等4类。

石墨层间化和物种类繁多，性能各异。它既保留了石墨优异的物理、化学特性，同时由于碳原子平面层与插入层物质的相互作用又出现了一系列新的物理、化学特性，如高导电性、超导性等。

1、金属—石墨层间化合物及碱土金属—石墨层间化合物。碱金属中的K、Rb、Cs的饱和组成为MC8化合物，Li的饱和组成是LiC6，但Na的饱和组成是NaC64，碱土金属Ca、Sr、Ba和Li一样生成MC6型化合物。在表示石墨层间化合物的结构时一般使用“阶数”，如图1所示，它表示层间化合物C8K的结构示意图，图2为石墨晶格间吸收钾原子形成多种层间化合物的不同结构示意图。层间化合物有几阶结构取决于插入什么样的化学物质，例如已知K、Rb，CS存在1 15阶的石墨层间化合物，而Ca、Sr、Ba仅生成一阶化合物，而得不到高阶石墨层间化合物。

2、卤族元素—石墨层间化合物。卤族元素中的Br2易形成石墨层间化合物，其饱和组成为二阶的C8Br，迄今尚未发现一阶结构。插入Br2的石墨层间化合物在与之平衡的Br2蒸气中稳定存在，但一旦去除溴蒸气则容易分解形成残留化合物。一般而言，将石墨层间化合物在空气中放置分解而得到的物质等总称为残留化合物，从结构上它和原来的石墨几乎没有变化，但其缺陷程度增加，并可能和高阶结构混合存在等等，形式各种各样。

3、金属卤化物—石墨层间化合物。由氯化铁形成的石墨层间化合物很早即已知晓，其他许多金属氯化物也可生成石墨层间化合物。但是能生成金属溴化物的石墨层间化合物比较少，据报道可形成石墨层间化合物的有Al、Mn、Fe、Co、Ni、Ga、Cd、Au、Hg、Ti、U等的溴化物。以AsF5和SbF5为代表的较多氟化物可生成石墨层间化合物。最近由于研究工作的深入，如ZnCl2、MnCl2及NaCl等过去认为无反应物生成的卤化物，采用特殊方法也可生成石墨层间化合物。

4、三元石墨层间化合物。两种以上的化学物质被插入而形成的石墨层间化合物较多，存在着两种碱金属、碱金属与氢（NH3、苯）等组成的系列，两种氯化物、氯化物与酸等相当多的组合。

石墨层间化合物可作为高导电率材料、电池材料、密封材料储氢材料和同位素分离材料、以及催化剂使用，可应用在环保、医学、防火阻燃等领域。