[发明专利]一种高效制备氟化石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高效制备氟化石墨烯的方法，尤其是涉及利用膨胀石墨为原材料进行氟化石墨烯制备的工艺路径。

背景技术

氟化石墨烯是一种新型的纳米材料，是石墨烯的一种重要衍生物。氟化石墨烯是一种二维平面结构，是石墨烯部分氟化或全部氟化的产物，其中碳原子和氟原子是以共价键的形式结合。氟化石墨烯消除了石墨烯中存在的电子云，防止电流的常态流动，但不影响完整的碳结构。氟化石墨烯具有表面能低、疏水性强及带隙宽等优异的物理化学性能。同时，氟化石墨烯还具有耐高温、耐腐蚀性、耐摩擦性、化学性质稳定和优异的润滑性，能够广泛应用于高温涂层、抗磨润滑涂层及锂电池正极材料领域。

由于氟化石墨烯是一种新型材料，目前并没有一种大规模制备的方法。开发一种合适的方法来制备具有二维铁氟龙结构的氟化石墨烯工艺并不简单。已报道的氟化石墨烯的制备方法主要为化学反应法和物理剥离法。众所周知，氟是一种高度活泼的元素，它几乎与所有物质都起反应。通过化学氟化法直接对石墨烯进行氟化合成氟化石墨烯，而又不能损坏石墨烯和支撑它的基片，具有很大的挑战性，需要对氟化条件进行系统研究。化学法制备氟化石墨烯主要存在以下问题：首先氟化剂具有剧毒性，对设备腐蚀较为严重，对实验条件要求比较苛刻，而且高纯度的氟气价格昂贵且不易运输，同时所用碳源为石墨烯和氧化石墨烯，本身碳源的价格就较为昂贵，较难制备，通过此方法制备的氟化石墨烯价格将更加昂贵，不适合规模化生产。因此，化学法实现氟化石墨烯简单、友好、大量的制备还需要攻克一系列技术问题。

目前，制备氟化石墨烯比较常用的是液相剥离法和机械剥离法。这两种方法都是以商品化的氟化石墨为原料，进行机械剥离制备氟化石墨烯，所制备的氟化石墨烯片层小、层数多、热稳定性差、产率低等缺点，无法得到广泛应用。中国发明专利CN 103985874 A公布了含碳氟半离子键的氟化石墨烯及利用其为正极的二次钠电池，报道了利用氯仿热插层后通过超声剥离、离心、干燥等工艺制备氟化石墨烯，但其产率较低，无法实现大规模生产。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，结合化学氟化法和物理剥离法，提出一种高效制备氟化石墨烯的方法。

本发明主要包括以下四个步骤：

步骤一、以膨胀石墨为碳源，通过高温气相氟化法，制备具有高氟含量的氟化膨胀石墨；

步骤二、以有机物为插层剂，通过高温水热法制备氟化膨胀石墨/有机物复合材料；

步骤三、对所制备的氟化膨胀石墨/有机物复合材料进行球磨和超声波处理，得到氟化石墨烯分散液；

步骤四、对氟化石墨烯分散液进行离心分离，收集上层液体，经过洗涤、抽滤、烘干得到层厚在5层以内的氟化石墨烯。

所述步骤一，碳源为商品化销售的膨胀石墨，其碳含量大于95％；高温气相氟化法所用的氟源为高纯氟气、氟气/氮气混合气、氟气/氩气混合气、三氟化氮中的一种；在一定的温度范围500～700℃、压强100～500KPa条件制备得到氟化膨胀石墨，氟化膨胀石墨的氟含量为50％～70％。

所述步骤二，插层剂有机物为N-甲基吡咯烷酮，N,N-二甲基甲酰胺，N,N-二甲基乙酰胺，四甲基脲，N-甲基乙酰胺，乙酰胺，吡咯，吡啶，四氢呋喃，三氯甲烷，乙腈，丙酮，二甲基亚砜，γ-丁内酯，1,3-二甲基-2-咪唑并烷酮中的一种或多种的混合物；将氟化膨胀石墨与有机物按质量比为1:5～1:300混合放入水热反应釜中，进行高温水热制备氟化膨胀石墨/有机物复合材料。

所述步骤三，球磨法为通过高能球磨机进行粉碎，转速300～800r/min，球磨时间2～48h；通过超声波处理器进行粉碎，超声频率在20～100kHz，超声处理时间1～120h，得到氟化石墨烯分散液。

所述步骤四，对氟化石墨烯分散液进行离心，转速控制在500～20000rpm，时间10～100min，收集上层液，经过洗涤、抽滤、烘干，得到厚度为5层以内的氟化石墨烯。

本发明具有工艺简单，产率高，成本低等优势，易推广使用。

附图说明

图1为氟化石墨烯制备方法的流程图

图2为实例1中所用膨胀石墨的X射线衍射图。在图2中，横坐标为：2θ/°,θ为衍射角，纵坐标为：相对衍射强度。

图3为实例1中所制备的氟化石墨烯的X射线衍射图。在图3中，横坐标为：2θ/°,θ为衍射角，纵坐标为：相对衍射强度。

图4为实例1中所制备的氟化石墨烯粉末的照片。

具体实施方式