[发明专利]一种石墨层间化合物的制备方法

说明书

本发明公开了一种石墨层间化合物的制备方法，将石墨与金属卤化物在空气中混合后封闭至反应釜中加热至一定温度，保温一段时间，金属卤化物扩散至石墨层间形成以金属卤化物为插层剂的石墨层间化合物，再将金属卤化物插层剂通过硫化工艺或磷化工艺转化为金属硫化物或金属磷化物，得到以金属硫/磷化物为插层剂的石墨层间化合物，实现金属硫/磷化物以分子水平的形式稳定存在于石墨片层间。本发明可实现石墨层间不同物质的插入，使产品具有不同的特性，制备过程具有低物耗、低能耗、产品质量稳定且工艺重复性能好等诸多优点，适合大规模工业化生产，最终产品用于下一代储能材料、太阳能电池材料和电催化等领域。

技术领域

本发明涉及一种金属硫化物或金属磷化物作为插层剂的石墨层间化合物的制备方法。

背景技术

石墨层间化合物是近年来日益受到人们重视的一种新材料。石墨为六方晶系，是一种典型的C层状结构物质，层平面上的碳原子以强有力的共价键结合，而层与层间以弱的范德华力结合，而且层间距较大。因此，在适当的条件下，酸、碱金属、盐等多种化学物质可插入石墨层间，并与碳原子结合形成新的化学相一石墨层间化合物。石墨层间化合物不仅保持石墨优异的理化性质，而且由于插入物质与炭层之间的相互作用而呈现出良好导电导热性等独特的物化特性。

目前，常见的金属卤化物基石墨层间化合物合成方法为熔盐法，传统的熔盐法的反应容器为耐热玻璃管，并且需要对其进行熔封处理，因此玻璃管的管径不能太大。这造成了单次合成量较少，而且受玻璃耐热温度的限制无法进行温度较高的实验，限制了许多新型石墨层间化合物的开发。此外，在熔封操作前要对装有反应物的玻璃管进行真空脱水，然后边抽真空的情况边熔封，这很容易造成熔封处附近玻璃的薄厚不均匀，导致在插层反应阶段破裂，插层过程中断。除了用耐热玻璃管制备石墨层间化合物，也有人用自制反应釜制备出了阶数完整的石墨层间化合物，但是此方法混样和密封都在真空手套箱中进行，条件比较苛刻，成本较大，限制了大批量生产的可能性。因此，研究更简单有效的方法来合成石墨层间化合物具有重要的意义。

另外，根据插入物的不同，石墨层间化合物所表现的物理化学性能不一样，其应用领域也有所差别。当前金属卤化物作为插层剂的石墨层间化合物的研究较多(Adv.EnergyMater.2014，4，1300600)，但将金属卤化物插层剂转化为金属硫化物或金属磷化物的方法目前还尚未报道。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供金属硫化物或金属磷化物作为插层剂的石墨层间化合物的制备方法，因为严格控制影响石墨层间化合物形成的最关键因素-水分和氧气，所以能够克服现有技术中的不足之处，提供一种能使反应物的层间插入率高(卤化物插入率至少是常规方法的两倍)，且安全、环保、适合大规模生产的一种制备方法；而且通过高温加热，使得硫源或磷源扩散到石墨片层间与金属卤化物反应实现金属硫化物或者金属磷化物以分子水平的形式稳定存在于石墨片层间，扩大了石墨层间化合物的种类和应用范围以及提供了一种新型石墨层间化合物的合成方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种金属硫化物或金属磷化物作为插层剂的石墨层间化合物的制备方法，其特征在于先通过熔盐法将金属卤化物作为插层剂插入到石墨片层间，插层剂与石墨的质量比为1∶0.2～20，干燥温度为60～150℃，干燥时间为0.2～5h，插层反应温度300～1100℃，反应时间为1～72h，然后通过硫化工艺或磷化工艺将金属卤化物完全转化为金属硫化物或者金属磷化物，实现金属硫化物或者金属磷化物以分子水平的形式稳定存在于石墨层间，得到以金属硫化物或者金属硫磷化物为插层剂的石墨层间化合物。

所述的石墨包括天然石墨、人造石墨或膨胀石墨。

所述的金属卤化物插层剂都是无水化合物，形成受电子型的石墨层间化合物，包括铍、镁、钪、钇、锆、铪、铌、钽、铬、钼、钨、锰、铼、铁、钌、锇、钴、铑、铱、镍、钯、铂、铜、银、金、锌、镉、汞、铝、镓、铟、铊、锗、锡、铅、锑、铋、铀的金属氯化物以及溴化铁、溴化镍、溴化铝、溴化镓、溴化锰、溴化钴、溴化镉、溴化金、溴化汞、溴化铊和溴化铀中的一种或几种。