[发明专利]一种球磨法制备低含氧量铁盐掺杂石墨烯纳米片粉体材料

说明书

本发明提供一种球磨法制备低含氧量铁盐掺杂石墨烯纳米片粉体材料。首先，运用熔融盐法制备二阶石墨插层化合物；然后，氧化插层制备含氧基团层和三氯化铁交替插层石墨的材料；最后，将含氧基团层和三氯化铁交替插层石墨与镁粉共同置于球磨釜中球磨处理，得到铁盐掺杂石墨烯纳米片粉体材料。本发明所述方法有效减轻石墨烯片层结构的破坏，制备石墨烯效率高，三氯化铁均匀分布在石墨烯片层间，有效提高薄膜导电性，制备工艺简单，对设备的要求较低，适于工业或实验室操作，具有巨大的应用前景。

技术领域

本发明涉及石墨烯粉体制备领域，尤其是一种球磨法制备低含氧量铁盐掺杂石墨烯纳米片粉体材料。

背景技术

石墨烯是一种完全由碳原子构成的厚度仅为单原子层或数个单原子层的准二维晶体材料，广泛应用于电子、能源、化工、轻工、军工、航天及国防等领域。利用石墨烯制备的导电油墨、抗静电材料、导电防腐涂料等产品以石墨烯纳米片粉体材料作为主要导电物质，通过相互搭接构建导电通路使复合材料具有导电性。然而，其导电性与使用金属填料的产品相比还有很大差距，这主要是由于石墨烯纳米片的本征电导率略低而相互之间的接触电阻极高造成的。微观上，物质的电导率是其载流子浓度和迁移率的乘积，石墨烯的载流子迁移率为金属的10倍以上，而载流子浓度仅为金属材料的0.1％～1％，英国艾克赛特大学的Cracium教授介绍了利用氯化铁对石墨烯进行插层掺杂处理可以使石墨烯的导电性提高至原来的十倍以上，并且可以在常温及大气环境中长期保持稳定，表明利用氯化铁对石墨烯进行掺杂可以有效提高石墨烯纳米片的导电性。

氧化石墨又被称为石墨氧化物或被称为石墨酸，可以通过强氧化剂处理石墨制备得到，仍然保留石墨母体的片状结构，但是两层间的间距(约0.7nm)大约是石墨中层间距的两倍。近年来，以氧化石墨为原料来大规模工业化生产石墨烯成为主流方式，由于氧化石墨中存在大量亲水基团，氧化石墨很容易在水溶液分散，形成单个石墨层，但氧化石墨本身却是绝缘体或是半导体，需要再通过还原反应得到石墨烯。尽管采用氧化石墨法可以高效剥离制备单层及少层石墨烯，但需避免石墨烯片层结构破坏严重的问题。

发明内容

本发明提供一种球磨法制备低含氧量铁盐掺杂石墨烯纳米片粉体材料，在高效制备石墨烯的同时，可以有效减小石墨烯片层的破坏，并通过镁粉去除石墨烯含氧官能团，铁盐插层于石墨烯片层间，提高材料导电性能。在通常情况下，三氯化铁石墨插层化合物非常稳定，本发明方法所制备含氧基团层和三氯化铁交替插层石墨结构中三氯化铁与石墨片层结合力强(离子型相互作用力)，强于原石墨片层之间的作用力(范德瓦耳斯力)，含氧基团层结合力最弱，其层间的间距大约是原石墨层间距的两倍，在球磨法带来的挤压与剪切作用力下更容易剥离开，镁粉先接触含氧基团发生还原反应，而镁粉与三氯化铁的反应需要从边缘往内部逐渐进行。如若采用高温法或者化学溶液还原法，不可避免的破坏了三氯化铁层。

本发明采用如下技术方案：

一种球磨法制备低含氧量铁盐掺杂石墨烯纳米片粉体材料，包括如下步骤：

(1)运用熔融盐法将无水三氯化铁与石墨混合加热制备二阶石墨插层化合物；

(2)采用氧化剂和浓酸对二阶石墨烯插层化合物进行氧化插层，得到含氧基团层和三氯化铁交替插层石墨的材料；

(3)将含氧基团层和三氯化铁交替插层石墨与镁粉共同置于球磨釜中球磨处理，得到铁盐掺杂石墨烯纳米片粉体材料；

(4)将铁盐掺杂石墨烯纳米片粉体材料浸入盐酸溶液中搅拌，随后超声处理，抽滤后烘干。

步骤(1)中的熔盐法反应温度为400℃，反应时间为4-6小时，无水三氯化铁与石墨质量比为5∶1。

步骤(2)中的氧化剂包括氯酸盐、高氯酸盐、高锰酸盐、重铬酸盐，过氧化钠，浓酸为浓硫酸或者浓硫酸与浓硝酸的混合物，氧化插层时间为4-48h，温度为0-80℃。