氟化石墨烯的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種氟化石墨烯的制備方法。本發(fā)明利用電弧放電法制備大尺寸氟化石墨烯，這種方法制備出的氟化石墨烯具有石墨層規(guī)則、晶型好、缺陷少、純度高、產(chǎn)率大等特點(diǎn)，而且設(shè)備簡(jiǎn)易，制備周期與較化學(xué)法相比周期短，有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的制備，氟化石墨烯尺寸大（＞1μm），產(chǎn)品純度高。
【專利說明】氟化石墨烯的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種氟化石墨烯的制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]氟化石墨烯是一種全新的碳納米材料，目前文獻(xiàn)報(bào)道很少。它集中了石墨烯和氟化石墨性能優(yōu)點(diǎn)，氟元素的引入有望在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。氟化石墨烯是具有高強(qiáng)度和高的楊氏模量，良好的化學(xué)性質(zhì)、熱穩(wěn)定性和絕緣性，優(yōu)異的抗磨損性等特點(diǎn)。其中，由于氟化石墨烯表面為化學(xué)鍵(一F)組成的重疊結(jié)構(gòu)，表面能小層間距大，在各種苛刻條件(如高溫、高壓及高載荷)下，都表現(xiàn)出良好的潤(rùn)滑性能，可做為固體潤(rùn)滑劑。美國(guó)、日本的研究證明，氟化石墨適合作高能電池陽極材料，含氟量高則有利于減少陽極體積，使電池小型化。由于氟化石墨烯具有寬帶隙，與其他石墨烯的衍生物如氧化石墨烯和氫化石墨烯在電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)有本質(zhì)的區(qū)別，其透光性增加；在電子學(xué)方面，這種材料的絕緣性和母體材料的金屬性互補(bǔ)，可用于原子厚度絕緣體或隧道結(jié)。
[0003]目前制備氟化石墨烯的主要方法有石墨烯氟化和微機(jī)械剝離氟化石墨這兩種。前一種是將制備出來的石墨烯在嚴(yán)格控制濕度和壓力的密閉環(huán)境中通入F2或XeF2來實(shí)現(xiàn)，由于這種方法對(duì)反應(yīng)環(huán)境和設(shè)備要求都好高，反應(yīng)不易且危險(xiǎn)性較大，難于控制很難實(shí)現(xiàn)工業(yè)化；而第二種方法制備出來的石墨烯性質(zhì)與部分還原的氟化石墨烯類似，想要得到層數(shù)較少可控的氟化石墨烯在工藝上很難實(shí)現(xiàn)。目前在氟化石墨烯制備和性能方面研究并不多，氟化石墨烯很多領(lǐng)域的潛在應(yīng)用使其成為研究的熱點(diǎn)之一，但制備技術(shù)作為研究的基礎(chǔ)，尋找簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)、有效的制備方法是關(guān)鍵。
[0004]在過去的十幾年里，利電弧放電方法已經(jīng)制備出了富勒烯、碳納米管、硅納米管，金屬納米粉體等納米材料。最近幾年，利用電弧放電技術(shù)又成功制備出了石墨烯這種新型二維碳納米材料


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種簡(jiǎn)便易操作制備氟化石墨烯的方法，用該方法制備的氟化石墨烯具有純度高、尺寸大、層數(shù)較少可控等特點(diǎn)。
[0006]本發(fā)明利用電弧放電法制備大尺寸氟化石墨烯，這種方法制備出的氟化石墨烯具有石墨層規(guī)則、晶型好、缺陷少、純度高、產(chǎn)率大等特點(diǎn)，而且設(shè)備簡(jiǎn)易，制備周期與較化學(xué)法相比周期短，有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的制備。
[0007]一種氟化石墨烯的制備方法，其特征在于氟化石墨烯的制備使用電弧放電設(shè)備，將氟化石墨裝入鉆孔的石墨棒中，壓實(shí)，在放電腔體內(nèi)通入氫氣和氦氣，進(jìn)行電弧放電，放電完畢后等腔體完全冷卻后收集樣品；
大尺寸氟化石墨烯的制備方法是按照下列步驟進(jìn)行的:
a.電極材料:先將高純石墨棒鉆孔，然后將氟化石墨粉裝入孔洞中并壓實(shí)作為陽極復(fù)合電極材料，陰極電極材料也是高純石墨棒。
[0008]b.氣體:將腔體抽至1Pa以下后，然后通入氫氣和氦氣的混合氣體。
[0009]c.電弧放電:打開水冷卻系統(tǒng)，開啟電弧設(shè)備預(yù)熱一段時(shí)間；檢查腔體氣密性及石墨棒電極之間的距離，確定無誤后引弧；調(diào)節(jié)電流至120~200A，調(diào)節(jié)陰極桿保持陰極棒和陽極棒之間距離為I~2mm。
[0010]d.樣品收集:反應(yīng)完畢后，等腔體完全冷卻下來以后，收集沉積在腔體內(nèi)壁周圍及其頂部的煙灰為氟化石墨烯。
[0011]本發(fā)明在直徑為6~12mm,長(zhǎng)約10mm的石墨棒中鉆孔，孔徑為4~8mm,孔深50~70mm，然后將氟化石墨粉裝入孔中，壓實(shí)作為陽極電極材料，陰極電極材料為直徑為12~16mm長(zhǎng)約10mm的高純石墨棒。
[0012]本發(fā)明將腔體內(nèi)真空度抽到0.01kPa以下,通入總壓力為13.3~80.0kPa氫氣和氦氣的混合氣體的體積比為1:1。
[0013]本發(fā)明將電弧設(shè)備開啟后預(yù)熱5min以上；放電電流調(diào)節(jié)到120~200A，放電過程中調(diào)節(jié)陰極石墨棒和陽極棒之間的距離為I~2mm。
[0014]本發(fā)明放電結(jié)束后，收集樣品時(shí)只收集沉積在腔體頂部和內(nèi)壁周圍的煙灰。
[0015]本發(fā)明的制備方法與報(bào)道的微機(jī)械剝離法和氟化的方法相比較，設(shè)備和工藝過程簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)可控性好，制備成本低，周期短，制備量大。所得氟化石墨烯尺寸大(> Ιμπι)，產(chǎn)品純度聞，為氣化石墨稀更深入的研究提供良好的制備基礎(chǔ)。
[0016]該發(fā)明制備的氟化石墨烯通過場(chǎng)發(fā)射掃面電鏡(FE-SEM)、透射電鏡(TEM)和光電子能譜儀(XPS)測(cè)試儀等現(xiàn)代分析儀器測(cè)試表明，與電弧放電制備的石墨烯相比，氟化石墨烯具有更大的尺寸，為0.5-10 μ m。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為氟化石墨烯(a和b)與石墨烯(c和d)的FESEM與TEM圖片。

【具體實(shí)施方式】
[0018]實(shí)施例1:
取一根長(zhǎng)10mm直徑為8mm的高純石墨棒(純度99.99%)鉆取孔徑為4mm深為50mm的孔洞，稱取2g氟化石墨裝進(jìn)孔洞中并用石墨棒將其壓實(shí)，制作好的石墨棒作為陽極復(fù)合電極材料。陰極電極材料是直徑為12mm，長(zhǎng)約10mm的高純石墨棒。將腔體抽真空至0.01kPa后，先后充入13.3kPa氦氣和13.3kPa氫氣。開啟水冷卻系統(tǒng)和電弧設(shè)備并預(yù)熱5min，檢查腔體氣密性和陰陽石墨棒電極是否對(duì)齊，一切正常后引弧，將放電電流調(diào)至140A并調(diào)節(jié)陰陽極石墨棒之間的距離為2mm。持續(xù)放電3min。放電結(jié)束后冷卻30min，通大氣收集樣品，收集沉積在腔體的煙灰最終得到氟化石墨烯樣品。
[0019]實(shí)施例2:
取一根長(zhǎng)10mm直徑為1mm的高純石墨棒(純度99.99%)鉆取孔徑為6mm深為60mm的孔洞，稱取3.5g左右氟化石墨裝進(jìn)孔洞中并用石墨棒將其壓實(shí)，制作好的石墨棒作為陽極復(fù)合電極材料。陰極電極材料是直徑為14_，長(zhǎng)約10mm的高純石墨棒。將腔體抽真空至0.01kPa,先充入26.6kPa氦氣，再充入26.6kPa氫氣關(guān)掉進(jìn)氣閥保持充氣狀態(tài)。開啟水冷卻系統(tǒng)和電弧設(shè)備并預(yù)熱5min，檢查腔體氣密性和陰陽石墨棒電極是否對(duì)齊，一切正常后引弧，將放電電流調(diào)至180~200A并調(diào)節(jié)陰陽極石墨棒之間的距離為2mm。持續(xù)放電3min。放電結(jié)束后冷卻30min，通大氣收集樣品，先收集沉積在腔體的煙灰最終得到氟化石墨稀樣品。
[0020]實(shí)施例3:
取一根長(zhǎng)10mm直徑為1mm的高純石墨棒(純度99.99%)鉆取孔徑為6mm深為65mm的孔洞，稱取4g左右氟化石墨裝進(jìn)孔洞中并用石墨棒將其壓實(shí)，制作好的石墨棒作為陽極復(fù)合電極材料。陰極電極材料是直徑為14_，長(zhǎng)約10mm的高純石墨棒。將腔體抽真空至0.01kPa，先充入6.7kPa氦氣，再充入6.7kPa氫氣關(guān)掉進(jìn)氣閥保持充氣狀態(tài)。開啟水冷卻系統(tǒng)和電弧設(shè)備并預(yù)熱5min，檢查腔體氣密性和陰陽石墨棒電極是否對(duì)齊，一切正常后引弧，將放電電流調(diào)至200~220A并調(diào)節(jié)陰陽極石墨棒之間的距離為2mm。持續(xù)放電4min。放電結(jié)束后冷卻30min，通大氣收集沉積在腔體的煙灰。
[0021] 按照實(shí)施例2，利用電弧放電法制備的氟化石墨烯通過FE-SEM和TEM，XPS測(cè)試表明氟化石墨烯的層數(shù)為5~8層，尺寸大小為I~5μπι，與該方法制備的石墨烯相比，尺寸較大，進(jìn)一步證明了氟化石墨烯的形成；通過XPS測(cè)試得知F元素含量為1at.%。
【權(quán)利要求】
1.一種氟化石墨烯的制備方法，其特征在于氟化石墨烯的制備使用電弧放電設(shè)備，將氟化石墨裝入鉆孔的石墨棒中，壓實(shí)，在放電腔體內(nèi)通入氫氣和氦氣，進(jìn)行電弧放電，放電完畢后等腔體完全冷卻后收集樣品； 大尺寸氟化石墨烯的制備方法是按照下列步驟進(jìn)行的: a.電極材料:先將高純石墨棒鉆孔，然后將氟化石墨粉裝入孔洞中并壓實(shí)作為陽極復(fù)合電極材料，陰極電極材料也是高純石墨棒； b.氣體:將腔體抽至1Pa以下后，然后通入氫氣和氦氣的混合氣體； c.電弧放電:打開水冷卻系統(tǒng)，開啟電弧設(shè)備預(yù)熱一段時(shí)間；檢查腔體氣密性及石墨棒電極之間的距離，確定無誤后引?。徽{(diào)節(jié)電流至120~200A，調(diào)節(jié)陰極桿保持陰極棒和陽極棒之間距離為I~2 mm ； d.樣品收集:反應(yīng)完畢后，等腔體完全冷卻下來以后，收集沉積在腔體內(nèi)壁周圍及其頂部的煙灰為氟化石墨烯。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在直徑為6~12mm,長(zhǎng)約10mm的石墨棒中鉆孔，孔徑為4~8_，孔深50~70_，然后將氟化石墨粉裝入孔中，壓實(shí)作為陽極電極材料，陰極電極材料為直徑為12~16mm長(zhǎng)約10mm的高純石墨棒。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于將腔體內(nèi)真空度抽到0.01kPa以下，通入總壓力為13.3~80.0kPa氫氣和氦氣的混合氣體的體積比為1:1。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于將電弧設(shè)備開啟后預(yù)熱5min以上。
【文檔編號(hào)】C01B31/04GK104071774SQ201310109510
【公開日】2014年10月1日 申請(qǐng)日期:2013年3月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月29日
【發(fā)明者】閻興斌, 申保收, 薛群基 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所