米乐m6官方网站（以下简称“AIST”）超导电子学组电子光子基础技术研究部、高级研究科学家伊予彰、高级研究员荻野拓、高级研究员石田繁之和研究组组长长崎宏认为金属钠（Na）可有效生成石墨插层化合物（GIC）催化剂基于此，我们开发了一种新方法（Na催化剂法），可以快速、简单地大规模合成GIC。这种Na催化的GIC生产方法预计将有助于GIC应用和工业用途的发展。该技术的详细信息将于 2023 年 1 月 20 日公布。先进材料
炭素(C)には、グラfeito、ダイヤモンド、furaren、石墨烯、碳纳米管等同素异形体存在。它们具有完全不同的功能，并且正在广泛的领域中进行研究和应用。例如，石墨烯是2004年发现的一种新的C同素异形体，具有极高的导电性和导热性等独特性能。石墨是一种由弱堆叠的石墨烯层组成的材料。石墨是一种常见材料，也用于制作铅笔芯等物品。石墨可以在石墨烯层之间插入（嵌入）各种原子和分子（图1）。插层生成的物质称为石墨插层化合物（GIC）。
根据进入层间的原子类型，GIC有多种类型，每种类型都具有高导电性、储气性和超导性等各种功能。石墨中的插层现象也用于锂离子二次电池的电极。近来，以GIC为原料的石墨烯合成技术也已被开发出来，预计未来将有多种应用。然而，气相法是啊熔盐法are unsuitable for mass synthesis of high-quality samples because the synthesis process is complex, takes several days to weeks, the stage structure (Figure 1) is not easy to control, and expensive highly oriented graphite raw materials are required因此，为了将GIC投入实际应用，需要开发一种创新的GIC合成方法。
图1 グラファイト層間化合物(GIC)とステージ構造の概略図。グラファイトは、グラフェンが積み重なることで形成される。グラフェン層間へLiやK、Caなどが插入(インターカート)されることによりGICとなる。插入は、グラfuェン层n枚おきに规则正しく起こり、suteージn构造のGICを形成する。
在 AIST，我们的目标是实现节能社会和创新的量子计算。寻找下一代超导材料在此过程中，合成了过去难以合成的一类GIC CaC6在金属钠（Na）存在下很容易生成。此外，我们发现Na的这种作用对于Li和K等碱金属(AM)以及Sr和Ba等碱土金属(AE)的GIC(AM-GIC、AE-GIC)的生成也有效。基于这个偶然的发现，我们开始研究一种能够轻松合成 AM-GIC 和 AE-GIC 的技术。
AIST 开发了一种合成具有受控阶段结构的 GIC 的方法，该方法通过在作为 GIC 原料的粉末石墨 (C) 和 AM 或 AE 中添加金属 Na，在室温下短时间混合或在约 250 °C 下反应数小时。 LiC，具有第一阶段结构的 Li-GIC6作为示例（图 2a），图 2a-1 显示了样品外观随混合时间的变化。混合开始时，样品呈黑色且呈片状（图 2a-2）。仅混合几分钟后，它就变成了类似银粘土的材料（图2a-3）。进一步混合后，样品在大约 15 分钟内变成金色（图 2a-4）。
要了解此时GIC是如何生成的，X射线衍射（XRD）法，我们研究了样品中产生的物质及其比率随混合时间的变化（图 2b）。混合 2 分钟后，Li-GIC (LiC6和LiC12) 和Na-GIC(NaCx)将开始发生。混合约15分钟后反应基本完成，样品最终溶解在LiC中6的混合物和娜。另外，通过简单改变原料的混合比例，LiC12也被合成了。通过相同的过程，第1至第4阶段结构的K-GIC(KC8，KC24，KC36，KC48)。例如，K-GIC根据阶段结构具有不同的功能，例如气体存储特性，因此阶段结构的可控性对于GIC应用非常重要。
AE-GIC(AEC6) 具有优异的性能，例如在相对较高的温度下表现出超导性，但众所周知，它比 AM-GIC 更难合成。通常，传统方法 AEC6是复合的。金属钠添加量为 AEC6它对于合成也非常有效。建筑工程委员会6时，除了将原料与金属Na混合外，还需要进行热处理，但温度为250℃，低于常规方法，几个小时即可实现AEC6已被合成。
我们也开始了解为什么添加金属Na会促进GIC的形成。 XRD分析结果发现，在GIC形成过程中，金属Na曾与C和NaCx，即反应中间体发现加速了插层反应。金属Na可以被认为充当GIC形成的催化剂。
金属Na不可避免地残留在使用这种Na催化剂方法合成的样品中。因此，我们还开发了一种减少样品中金属Na含量的方法。首先，将样品放入颗粒成型机中并加热至150℃（98℃以上，这是金属Na的熔点）。接下来，如图2c所示，通过用推杆对样品加压，将液态Na金属从样品中推出，从而获得致密的GIC颗粒。
Figure 2 (a) Changes in sample appearance that occur during mixing of GIC raw materials (Li and C) and Na at room temperature for approximately 15 minutes (b) 样品中产生的物质及其比例随混合时间的变化。 (c) 使用颗粒成型机将金属 Na 从样品中挤出，形成 GIC 颗粒（将颗粒成型机和样品加热至 150°C）。 *使用从原始论文中引用或修改的数字。
具有抛光表面的 GIC 颗粒的照片如图 3a-3c 所示。每个颗粒呈现出特有的颜色，因为石墨烯层所持有的电子量根据嵌入元素和 GIC 的级结构而不同。当通过 XRD 评估所获得的 GIC 颗粒时，发现获得了仅由单级结构组成的高质量 GIC，如图 3d 所示。
如上所述，我们开发了一种 Na 催化方法，能够在比传统方法低得多的温度和更短的时间内合成高质量的 AM-GIC 和 AE-GIC。该方法可以使用廉价的粉状石墨作为原料，工艺简单，设备简单，易于扩展到GIC的大规模合成。
図3（a）Li-GIC（suteージ1, 2构造）perettoおよび（b） K-GIC(suteージ1－4构造)ペrettoの写真。比较のためグラfaァイトのペrettoも同时に撮影。 (c) CaC6颗粒照片。 (d) GIC(LiC6，LiC12，KC8，KC24，CaC6) 颗粒的粉末 XRD 图案。为每个 GIC 的峰分配一个衍射指数。 *使用从原始论文中引用或修改的数字。
The Na catalyst method we have developed enables the synthesis of high-quality AM-GIC and AE-GIC at a much lower temperature and in a shorter time than conventional methods In addition, this method allows the use of inexpensive powdered graphite as a raw material, and the equipment and processes are much simpler than conventional methodsしかし、Na触媒法によるGIC合成の研究は端緒についたばかりです。 In the future, we plan to conduct research such as considering the mass synthesis and application of GIC, verifying the effectiveness of intercalating elements and molecules other than AE and AM into graphite, and elucidating the microscopic mechanism of GIC generation by the catalytic action of Na我们还将探索Na催化剂方法在利用GIC和插层现象的二次电池电极中的适用性。
已出版的杂志：Advanced Materials
论文标题：钠催化石墨插层化合物的显着加速形成
作者：Akira Iyo、Hiraku Ogino、Shigeyuki Ishida、Hiroshi Eisaki
DOI：101002/adma202209964