Einleitung
In der Graphitindustrie bezieht sich hochreiner Graphit im Allgemeinen auf Graphit, der mehr als 99,99 % Kohlenstoff enthält. Gegenwärtig wird hochreiner Graphit in der Photovoltaikindustrie in relativ großem Umfang eingesetzt. Auch als Anodenmaterial bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien wird Graphit aufgrund seiner relativ geringen Kosten und seiner Energiedichte am häufigsten verwendet. Graphit hat hervorragende leitende Eigenschaften. Die hexagonale Schichtstruktur von Graphit ermöglicht die Einlagerung von Lithium. Sie sorgt außerdem dafür, dass die Batterie während der Lade- und Entladezyklen stabil bleibt. Seine strukturelle Stabilität trägt zu einer längeren Lebensdauer der Batterie bei. Für Hochleistungsbatterien ist ein Reinheitsgrad von über 99,95 % und eine Partikelgröße von 10 bis 30 Mikrometern erforderlich.
Messbedingungen
Die STA Jupiter®-Serie, gekoppelt mit dem NETZSCH Aëolos®-Massenspektrometer (Abbildung 1), eignet sich hervorragend für die Bestimmung kleinster Verunreinigungen. Mit Hilfe des hohen möglichen Probenvolumens (bis zu 10 ml) der STA können auch bei Pulvern geringer DichteDie Massen-Dichte ist definiert als Verhältnis zwischen Masse und Volumen.Dichte hohe Probenmengen realisiert werden. In Kombination mit dem High-End-MS-Kopplungssystem (Transfertemperaturen bis zu 300 °C) ermöglicht dies den Transfer und die Identifizierung von geringen Mengen auch hochsiedender Materialien.
Tabelle 1 fasst die Messbedingungen zusammen.
Tabelle 1: Messparameter TG-MS
| Ofen | SiC |
| Probenträger | TG-Pin mit OTS® (engl. oxygen trap system) |
| Tiegel | Al2O3, 5 ml, offen |
| Probenthermoelement | Typ S |
| Spülgas | Ar, 50 ml/min |
| Schutzgas | Ar, 20 ml/min |
| Temperaturprogramm | RT - 800°C, 10 K/min |
| MS-Parameter | Scan-Modus im Bereich 1-300 amu, Integrationszeit pro amu 20 ms |
| Probenmasse | 3226,33 mg |
Messergebnisse und Diskussion
Die Graphitprobe wurde in inerter Atmosphäre auf 800 °C aufgeheizt und zeigte währenddessen zwei Massenverluststufen von 0,14 % und 0,026 % mit DTG-Peaks bei 307 °C und 562 °C. Mittels Massenspektrometrie an den entweichenden Gasen konnte die Freisetzung von Wasser (m/z 18), Kohlendioxid (m/z 44) und Schwefel (S8= m/z 64) nachgewiesen werden. Die Freisetzung von m/z 32 und m/z 34 kann mit der Freisetzung von H2S bei 324 °C in Verbindung gebracht werden. Die Massenzahl 76 ist ein Hinweis auf die Freisetzung von CS2 bei 334 °C, 398 °C und 560 °C. Die Freisetzung von Schwefel wurde mit einem MS Peak bei 324 °C festgestellt.
Abbildung 2 zeigt die Massenverlustkurve in Grün mit den entsprechenden Spuren der Massenzahlen m/z 18, 32, 44, 64 und 76.
Der Spektrenvergleich der gemessenen Spektren bei verschiedenen Temperaturen mit der NIST-Bibliothek beweist die Freisetzung der verschiedenen Verbindungen, siehe Abbildung 3.
Zusammenfassung
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die STA-MS-Kopplung durch Messungen im TG-Modus eine geeignete Methode zur Detektion und Identifizierung von Verunreinigungen in ultrahochreinen Graphitproben ist. Die gleichzeitige Freisetzung verschiedener Schwefelverbindungen konnte identifiziert und mit der Massenverlustkurve in Beziehung gesetzt werden. Mit Hilfe dieser hochempfindlichen Analysemethode kann die Reinheit verschiedener Graphitsorten untersucht und kontrolliert werden, insbesondere in Anwendungsbereichen wie Batterien, in denen eine hohe Reinheit erforderlich ist.