[发明专利]一种氟化石墨烯及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及新材料技术领域，具体涉及一种氟化石墨烯及其制备方法和在锂电池阴极材料、超级电容器上的应用。

背景技术

氟化石墨烯为石墨烯部分氟化或全部氟化而生成的一种二维平面结构的新材料，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阴极材料领域。

氟化石墨烯的研究尚处于起步阶段，其制备方法主要为化学反应法和物理剥离法。化学反应法是具有产业化发展的方法，也是现有氟化石墨制备的普遍工业路径。氟化石墨烯作为一种新型材料，是精细氟化工发展的新方向，而作为我国氟化工强省的福建省，为摆脱只生产利润低、环境污染大的氟化氢等初期氟化工产品的局面，提供了一个新的方向和机遇，为福建省的氟化工产业升级提供新的动力。

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，而开发一种合适的方法来制备具有二维特氟龙性质氟碳材料的工艺并不简单。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，具有很大的挑战性，需要对氟化条件进行系统研究。

目前已有一些科研机构或课题组对氟化石墨烯的制备工艺进行了相关研究，如俄罗斯L.G.Bulusheva课题组通过在密封聚四氟乙烯反应器中通入氟气，在高温200℃下对石墨烯进行氟化，成功制备了氟化石墨烯材料，这种方法对氟气的纯度要求非常高，且氟气价格昂贵，运输过程困难。四川大学Wang Xu课题组研究发现了一种以氧化石墨烯为碳源，直接使用氟气制备具有少数层的氟化石墨烯，结果表明所制备的氟化石墨烯F:C比最高可达1.02，所得产物中约10％为单层的氟化石墨烯，其余层数约2～5层。中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室研究人员利用商业化的氟化石墨为原料，N-甲基吡咯烷酮为插层试剂，通过加热使插层剂进入氟化石墨层间，再利用超声处理及分离，获得了氟化石墨烯。天津大学Feng Wei课题组通过类似水热剥离法制备了氟化石墨烯材料，并以其作为正极材料制作了锂氟化石墨烯电池，相比与商业化的氟化石墨，电压平台和比能量有所提高。然而目前制备工艺较为繁琐，此工艺不适合工业化生产，同时其所制得的氟化石墨烯的比能量和比功率仍有待提高。因此，如何大规模有效制备出具有高比能和高比功率的氟化石墨烯材料，将具有更好的市场应用前景。

发明内容

针对上述技术问题,本发明的目的在于提供一种氟化石墨烯及其制备方法和在锂电池阴极材料或超级电容器上的应用，该制备方法简单，所制得的氟化石墨烯具有较高比能量和较高比功率，具有更好的应用前景。

本发明的一个目的在于提供一种氟化石墨烯，其具体技术方案如下：一种氟化石墨烯，所述氟化石墨烯由石墨烯通过化学反应法对其进行氟化制备而得，所述石墨烯中各元素的质量百分比分别为：C为80%～95%，N为0%～20%，H为0%～5%，O为0%～10%；优选为：C为 86%～92%，N为0%～10%，H为2%～4%，O为2%～6%；更优选为C为 86%～92%，N为0%～5%，H为2%～4%，O为2%～6%。

进一步的，所制得的氟化石墨烯中各元素的质量百分比分别为：C为35%～60%，F为40%～65%，O为0%～5%。

进一步的，所述化学反应法采用高温气相氟化法。

本发明的另一目的在于提供一种制备上述氟化石墨烯的制备方法，其技术方案如下：一种氟化石墨烯的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：将石墨烯放入氟化设备中，其中，石墨烯中各元素的质量百分比分别为：C为80%～95%，N为0%～20%，H为0%～5%，O为0%～10%；

步骤2：对氟化设备进行抽真空，使其真空度达到-0.01 MPa，通入氟源，在400～700℃和100～500kPa下反应6～24h，即可得到氟化石墨烯。

进一步的，所述氟源为氟气、氟气/惰性气体混合气、气相氟化物中的一种或多种。

进一步的，所述氟气的纯度为98%～99.9%。

进一步的，所述氟气/惰性气体混合气中的惰性气体为氮气、氦气、氩气中的一种或多种。

进一步的，所述气相氟化物优选为三氟化氮、三氟化硼或二氟化氙，也可以是三氟化磷、三氟化溴、三氯化磷、硫酰氟、亚硫酰氟等中的一种或多种。