石墨碳:一种无所不在的、多种多样的有用地质材料

本文总结了石墨碳的结构和化学特征。评述了石墨碳的主要性质,并重点关注石墨,说明这些性质如何决定其在不计其数的工业与技术应用中的应用。并简要描述了石墨碳在长期碳循环中的作用,进而讨论了其起到重要作用的一些地质过程。

1.引言

石墨碳的结构和化学成分变化很大,从似非晶质的化合物(如炭黑、劣质煤)到五花八门的乱层结构(如变质岩中的含碳物质),直至结晶质的石墨都有。石墨碳结构与化学成分的巨大变化决定了其物理性质的明显多样性。在人类历史上,根据石墨碳的特性,其被开发出许多有用的用途,比如原始能源、陶器的装饰物、书写工具以及强化冶金用的坩埚。今天,石墨碳是一种战略资源,具有多方面的应用,也是被称为21世纪技术奇迹的石墨烯的一种来源。

严格意义上天然结晶的石墨很罕见,但石墨碳却是地球岩石圈有机碳 的主要载体。石墨碳作为前太阳颗粒也存在于宇宙中,这些颗粒是由古代 星辰在太阳系形成之前合成的。岩石圈中石墨碳的出现在固体地球、大气圈和生物圈之间的界面上发生的碳循环中起着十分关键的作用。由于其独特的性质,石墨碳在许多地质过程中也发挥了重要作用,并可用作此类过程的示踪剂。

2.什么是石墨碳

“石墨碳”这个术语广义地用来描述所有的固态含碳化合物,如煤、干酪根和石墨,这些化合物具有建立在一个由芳香族碳原子组成的骨架上(图 1)的多尺度组构,而与其成因无关。在文献中,“石墨”这个词通常用来描述那些结晶不完善,但又应当被称为石墨碳的化合物。

图 1 石墨碳的结构

图 1 石墨碳的结构

注:(A)埋藏期间有机质(即 II 型干酪根)从成岩作用到变质作用过程中的演化;(B)石墨及其单 位晶胞的结构;(C)石墨碳示意图,表示出文中所定义的主要定量参数,用来描述连贯域。插图是 一个石墨碳 002 晶格条纹的图像,连贯区域用红色圈出

由于芳香族碳的存在,石墨碳在其拉曼光谱、红外光谱和X射线吸收近边结构(XANES)光谱上都显示出特定的光谱特征。其纳米结构由芳香族层组成,层内芳香环呈蜂窝状结构;这些层根据其碳原子数的不同,其侧向延伸也不同。以石墨为例,其二维的芳香族层只有一个原子厚,但向侧面无限延伸,被称为石墨烯。这些层沿着c轴发生不同程度的堆垛,彼此之间发生长期的相互作用(范德瓦尔斯型),形成连贯的结构域,使得X射线和电子发生衍射。

石墨和有序度较高的石墨碳具有较大的结构各向异性,强烈影响了其物理性质。石墨和某些石墨碳的其他值得一提的综合性质包括高热导率、高升华点(在大气压力条件下约为3825℃)、低热膨胀系数及相对较低的密度(大约2.1~2.3)。另外,结晶质石墨很难熔,具有化学惰性,但石墨碳的化学反应活性随着其结构无序度和化学杂质含量的增加而增大。

3.哪儿有石墨碳

地球上生成石墨碳的两种主要途径是:①来自生物体的有机质发生碳化-石墨化;②含碳分子和离子达到饱和后的深部流体的沉淀。

比太阳系还古老的碳与石墨碳在宇宙中到处都有,它们以小型包裹体的形式保留在陨石中,其结构包括从非晶碳到石墨的所有纳米结构。

4 开采和生产

今天,石墨被看成是一种战略物资,出于所有权考虑,关于开采活动和所开发石墨类型的信息都受到限制。到目前为止,中国是主要的生产国,所生产的石墨占全世界石墨产量的约80%。从产量来看,随后依次是巴西、加拿大、印度、朝鲜和欧洲国家。商业用途开采的石墨有三种类型:①脉状/团块状;②薄片状;③“非晶质/微晶质的”石墨。

另外,在工业上也可以生产出合成石墨。对于易石墨化的含碳母体,比如焦油或石油焦炭,通过高温加热(可达3000℃),就能生成大量纯净的多晶质热解石墨。

5 加工与使用

天然的与合成的石墨碳都可作为原材料来使用,也可进一步加工以适用于特定用途(图2)。
图2 2009年全球石墨碳的主要用途

图2 2009年全球石墨碳的主要用途

表1 石墨碳的性质和用途

6 长期碳循环过程中的石墨碳

石墨碳是一种主要的陆相碳储库,在岩石圈、生物圈、水圈和大气圈之间的界面上处于一个关键的位置(图4)。
图3 石墨碳的地质循环

图3 石墨碳的地质循环

石墨碳主要是由死亡的生物质通过石墨化过程融入到岩石里面形成的,其次是通过流体淀积。显然在地质时期的某些时段,有机碳淀积量增加,这种碳就被保留在沉积盆地内。

7 石墨碳的地质作用

大多数石墨碳来源于碳化和石墨化过程中的生物质转化。有越来越多的研究,利用电子显微镜(FIB+TEM)、光谱学(拉曼、XANES)和质谱分析法(如nanoSIMS)取得的最新技术进展,试图想彻底搞清楚石墨碳在宿主矿物基质里面的多尺度结构特征。石墨碳的结构特征保持到最小尺度具有重要意义,因为它表明岩石中的石墨碳并非惰性的,而是与其他矿物发生着密切的相互作用。

如前所述,石墨碳的物理化学性质使其成为一种独特的地质材料。这些性质对于确定石墨碳在地质系统(图3)内的作用和命运也很关键。比如,它有很高的导电性,这种性质只有流体或金属可以和它相提并论。地球地壳中具有异常高导电性的区域,其最佳解释就是深部流体和石墨碳。它还具有垂直于c 轴的摩擦系数低的特点,因而成为地震活动带的一种可能润滑剂,那里的石墨很常见。最后,碳和铁一样,都是地球氧化还原条件中的主要缓冲剂之一,而石墨碳对深部流体的碳-氧-氢成分和金属起着关键性的控制作用,这对控制其内部氧逸度的大小至关重要。

李万伦 译自“Peter R. Buseck and Olivier Beyssac. Graphitic Carbon: From Organic Matter to Graphite: Graphitization. ELEMENTS, December 2014, 10(6): 421~426.”(宋学信审稿)

未经允许不得转载:地学情报 » 石墨碳:一种无所不在的、多种多样的有用地质材料

赞 (1)