Co to je grafit?
Na začátku je dobré ujasnit si, co je myšleno „grafitem“. Grafit je nejstabilnější krystalickou formou uhlíku, vedle méně stabilního diamantu a amorfního uhlíku (bez krystalické struktury, např. saze v komíně). Grafit se skládá z jednotlivých vrstev, které mezi sebou interagují jen velmi slabě. Tyto jeden atom tlusté vrstvy se nazývají grafen a jsou jedním z moderních materiálů.
První využití našel grafit v umění – jako výrazná černá barva, ať už v keramice, nebo kresbě, kde ho v tužkách používáme dodnes. S rozvojem průmyslu začal být využíván také jako žáruvzdorná vyzdívka, což je jeho hlavní aplikace v současnosti. Našel využití i jako mazivo s vysokou tepelnou odolností.
Grafit v dnešním pojetí tedy není jeden materiál, ale celá rodina vrstevnatých uhlíkatých materiálů, z nichž má každý trošičku jiné vlastnosti v závislosti na jeho využití. Grafit používaný např. při výrobě zrcadel pro rentgenovou optiku (většinou tenké vrstvy velmi hladkého materiálu) je odlišný od grafitu používaného v metalurgii (výrobě kovů), v bateriových technologiích, jako mazivo apod. [1,2].
Výroba grafitu
Tenké vrstvy (víceméně počítané nejvýš v několika milimetrech, ale většinou výrazně tenčí, typicky několik desítek nanometrů [3]) lze vytvářet pomocí takzvané chemické depozice par.
To je proces, ve kterém vezmeme nějaký zdroj uhlíku (nejraději plynný uhlovodík – methan, ethan, propan) a za nízkého tlaku (takřka vakua) a bez přístupu vzduchu (hořlavé uhlovodíky se vzduchem tvoří výbušnou směs) ho zahřejeme na teplotu přes 2000 °C, přičemž mu do cesty položíme něco, čemu fyzikové říkají substrát (většinou je to kovový plíšek). Za takových podmínek se náš zdroj uhlíku dostane do tzv. plazmatického stavu, tedy přestává být jasně definovanou látkou a začíná být jakýmsi obláčkem iontů a „volně letících“ elektronů, a do podoby grafitu se na substrátu „poskládá“ proto, že je to pro něj energeticky nejvýhodnější.
Chemickou depozicí par lze připravit opravdu takřka dokonalý grafit, odpovídající obrázkům grafitu, které najdeme v učebnicích, s téměř ideálními parametry (elektrickou vodivostí, teplotní vodivostí, takřka dokonale černý). Je ale celkem zřejmé, že těchto podmínek nejsme schopni dosáhnout v domácí dílně. Navíc bude mít takto vyrobený grafit bohužel pouze podobu povlaku na onom substrátu.
Trocha alchymie
Výroba grafitu jako takového je dobře prozkoumaný postup a je to proces spíše alchymistický, než chemický.
Výchozími látkami jsou „uhlovodíky o vysoké hustotě“, což může být všechno možné od destilačních zbytků z rafinace ropy nebo kamenouhelného dehtu, různé odpadní produkty přírodního kaučuku či asfaltu až po lignin – přírodní uhlovodíková látka vyskytující se ve dřevě. V dnešní době recyklace a cirkulární ekonomiky jsou to také často recykláty z plastového odpadu (typicky polystyrenu) nebo např. namleté pneumatiky.
Většina výrobců grafitu používá různé poměry těchto výchozích látek a takřka každý z nich má svůj jedinečný „recept“. Často se do výchozí směsi přidávají tzv. „nukleační přísady“, tedy materiály, které už grafitickou strukturu do určité míry mají (např. koks, amorfní uhlík, tiskařská čerň nebo přírodní či již vyrobený grafit, např. recyklovaný z elektrolytů baterií) a tak na ní „hezký“ grafit může růst. Příslušná směs se namele a vytvoří se z ní granulát, aby byly všechny výchozí materiály dobře promísené.
Lisujeme, pečeme, a zase lisujeme
Granulát se následně lisuje vysokým tlakem (desítky až stovky atmosfér), a pak se kalcinuje, tedy peče, bez přístupu vzduchu při teplotě 800–1200 °C, aby se odstranily těkavé látky a další nečistoty (typicky kyslík, síra, dusík, fosfor, které jsou často ve výchozích látkách přítomné).
Po „pečení“ následuje často nové lisování, aby se odstranily vady vzniklé kalcinací, a vlastní grafitizace, která probíhá za vysokého tlaku, vlastně v lisu, při teplotách 2200–2500 °C. Vysoce kvalitní grafit se grafitizuje i při teplotách přesahujících 3000 °C [4, 5]. Ani tuto metodu ale není dobře možné použít v domácí laboratoři.
A zde se vraťme znovu na začátek. To, jaký konkrétní postup bude zvolen, záleží na tom, jaký grafit ve skutečnosti chceme získat. Na mazivový grafit stačí nižší teploty a méně kvalitní materiály, na grafit o vysoké čistotě pro kosmický průmysl nebo např. pro elektrody se používají vysoké tlaky a vyšší teploty.
Průmyslové postupy používané při výrobě grafitu jsou tedy v podmínkách domácí dílny neproveditelné, včetně těch historicky nejstarších.
Pro Zeptej se vědce odpovídal Dan
Zdroje:
[1] Jäger, Hubert, and Wilhelm Frohs, eds. Industrial carbon and graphite materials: raw materials, production and applications. John Wiley & Sons, 2021 (Pozn.: Je to kniha, ale moc hezká shrnující odpověď pro zvědavou duši jaksi komplexněji.)
[2] https://doi.org/10.1364/OE.14.004570
[3] https://doi.org/10.1016/j.carbon.2016.11.068