CN104071774A - 氟化石墨烯的制备方法 - Google Patents

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阎兴斌
申保收
薛群基
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Abstract

本发明公开了一种氟化石墨烯的制备方法。本发明利用电弧放电法制备大尺寸氟化石墨烯，这种方法制备出的氟化石墨烯具有石墨层规则、晶型好、缺陷少、纯度高、产率大等特点，而且设备简易，制备周期与较化学法相比周期短，有望实现大规模的制备，氟化石墨烯尺寸大（＞1μm），产品纯度高。

Description

氟化石墨烯的制备方法
技术领域
本发明涉及一种氟化石墨烯的制备方法。
背景技术
氟化石墨烯是一种全新的碳纳米材料，目前文献报道很少。它集中了石墨烯和氟化石墨性能优点，氟元素的引入有望在更多的领域得到应用。氟化石墨烯是具有高强度和高的杨氏模量，良好的化学性质、热稳定性和绝缘性，优异的抗磨损性等特点。其中，由于氟化石墨烯表面为化学键(→F)组成的重叠结构，表面能小层间距大，在各种苛刻条件（如高温、高压及高载荷）下，都表现出良好的润滑性能，可做为固体润滑剂。美国、日本的研究证明，氟化石墨适合作高能电池阳极材料，含氟量高则有利于减少阳极体积，使电池小型化。由于氟化石墨烯具有宽带隙，与其他石墨烯的衍生物如氧化石墨烯和氢化石墨烯在电学和光学性质有本质的区别，其透光性增加；在电子学方面，这种材料的绝缘性和母体材料的金属性互补，可用于原子厚度绝缘体或隧道结。
目前制备氟化石墨烯的主要方法有石墨烯氟化和微机械剥离氟化石墨这两种。前一种是将制备出来的石墨烯在严格控制湿度和压力的密闭环境中通入F2或XeF2来实现，由于这种方法对反应环境和设备要求都好高，反应不易且危险性较大，难于控制很难实现工业化；而第二种方法制备出来的石墨烯性质与部分还原的氟化石墨烯类似，想要得到层数较少可控的氟化石墨烯在工艺上很难实现。目前在氟化石墨烯制备和性能方面研究并不多，氟化石墨烯很多领域的潜在应用使其成为研究的热点之一，但制备技术作为研究的基础，寻找简便、 经济、有效的制备方法是关键。
在过去的十几年里，利电弧放电方法已经制备出了富勒烯、碳纳米管、硅纳米管，金属纳米粉体等纳米材料。最近几年，利用电弧放电技术又成功制备出了石墨烯这种新型二维碳纳米材料
发明内容
本发明的目的在于提供一种简便易操作制备氟化石墨烯的方法，用该方法制备的氟化石墨烯具有纯度高、尺寸大、层数较少可控等特点。
本发明利用电弧放电法制备大尺寸氟化石墨烯，这种方法制备出的氟化石墨烯具有石墨层规则、晶型好、缺陷少、纯度高、产率大等特点，而且设备简易，制备周期与较化学法相比周期短，有望实现大规模的制备。
一种氟化石墨烯的制备方法，其特征在于氟化石墨烯的制备使用电弧放电设备，将氟化石墨装入钻孔的石墨棒中，压实，在放电腔体内通入氢气和氦气，进行电弧放电，放电完毕后等腔体完全冷却后收集样品；
大尺寸氟化石墨烯的制备方法是按照下列步骤进行的：
a.电极材料：先将高纯石墨棒钻孔，然后将氟化石墨粉装入孔洞中并压实作为阳极复合电极材料，阴极电极材料也是高纯石墨棒。
b.气体：将腔体抽至10Pa以下后，然后通入氢气和氦气的混合气体。
c.电弧放电：打开水冷却***，开启电弧设备预热一段时间；检查腔体气密性及石墨棒电极之间的距离，确定无误后引弧；调节电流至120～200A，调节阴极杆保持阴极棒和阳极棒之间距离为1～2mm。
d.样品收集：反应完毕后，等腔体完全冷却下来以后，收集沉积在腔体内壁周围及其顶部的烟灰为氟化石墨烯。
本发明在直径为6～12mm，长约100mm的石墨棒中钻孔，孔径为4～8mm，孔深50～70mm，然后将氟化石墨粉装入孔中，压实作为阳极电极材料，阴极电极材料为直径为12～16mm长约100mm的高纯石墨棒。
本发明将腔体内真空度抽到0.01kPa以下，通入总压力为13.3～80.0kPa氢气和氦气的混合气体的体积比为1:1。
本发明将电弧设备开启后预热5min以上；放电电流调节到120～200A，放电过程中调节阴极石墨棒和阳极棒之间的距离为1～2mm。
本发明放电结束后，收集样品时只收集沉积在腔体顶部和内壁周围的烟灰。
本发明的制备方法与报道的微机械剥离法和氟化的方法相比较，设备和工艺过程简单，实验可控性好，制备成本低，周期短，制备量大。所得氟化石墨烯尺寸大（＞1μm），产品纯度高，为氟化石墨烯更深入的研究提供良好的制备基础。
该发明制备的氟化石墨烯通过场发射扫面电镜（FE-SEM）、透射电镜(TEM)和光电子能谱仪（XPS）测试仪等现代分析仪器测试表明，与电弧放电制备的石墨烯相比，氟化石墨烯具有更大的尺寸，为0.5-10μm。
附图说明
图1为 氟化石墨烯（a和b）与石墨烯（c和d）的FESEM与TEM图片。
具体实施方式
实施例1：
取一根长100mm直径为8mm的高纯石墨棒(纯度99.99%)钻取孔径为4mm深为50mm的孔洞，称取2g氟化石墨装进孔洞中并用石墨棒将其压实，制作好的石墨棒作为阳极复合电极材料。阴极电极材料是直径为12mm，长约100mm的高纯石墨棒。将腔体抽真空至0.01kPa后，先后充入13.3kPa氦气和13.3kPa氢气。开启水冷却***和电弧设备并预热5min，检查腔体气密性和阴阳石墨棒电极是否对齐，一切正常后引弧，将放电电流调至140A并调节阴阳极石墨棒之间的距离为2mm。持续放电3min。放电结束后冷却30min，通大气收集样品，收集沉积在腔体的烟灰最终得到氟化石墨烯样品。
实施例2：
取一根长100mm直径为10mm的高纯石墨棒(纯度99.99%)钻取孔径为6mm深为60mm的孔洞，称取3.5g左右氟化石墨装进孔洞中并用石墨棒将其压实，制作好的石墨棒作为阳极复合电极材料。阴极电极材料是直径为14mm，长约100mm的高纯石墨棒。将腔体抽真空至0.01kPa，先充入26.6kPa氦气，再充入26.6kPa氢气关掉进气阀保持充气状态。开启水冷却***和电弧设备并预热5min，检查腔体气密性和阴阳石墨棒电极是否对齐，一切正常后引弧，将放电电流调至180～200A并调节阴阳极石墨棒之间的距离为2mm。持续放电3min。放电结束后冷却30min，通大气收集样品，先收集沉积在腔体的烟灰最终得到氟化石墨烯样品。
实施例3：
取一根长100mm直径为10mm的高纯石墨棒(纯度99.99%)钻取孔径为6mm深为65mm的孔洞，称取4g左右氟化石墨装进孔洞中并用石墨棒将其压实，制作好的石墨棒作为阳极复合电极材料。阴极电极材料是直径为14mm，长约100mm的高纯石墨棒。将腔体抽真空至0.01kPa，先充入6.7kPa氦气，再充入6.7kPa氢气关掉进气阀保持充气状态。开启水冷却***和电弧设备并预热5min，检查腔体气密性和阴阳石墨棒电极是否对齐，一切正常后引弧，将放电电流调至200～220A并调节阴阳极石墨棒之间的距离为2mm。持续放电4min。放电结束后冷却30min，通大气收集沉积在腔体的烟灰。
按照实施例2，利用电弧放电法制备的氟化石墨烯通过FE-SEM和TEM，XPS测试表明氟化石墨烯的层数为5～8层，尺寸大小为1～5μm，与该方法制备的石墨烯相比，尺寸较大，进一步证明了氟化石墨烯的形成；通过XPS测试得知F元素含量为10at.%。

Claims (4)

1.一种氟化石墨烯的制备方法，其特征在于氟化石墨烯的制备使用电弧放电设备，将氟化石墨装入钻孔的石墨棒中，压实，在放电腔体内通入氢气和氦气，进行电弧放电，放电完毕后等腔体完全冷却后收集样品；
大尺寸氟化石墨烯的制备方法是按照下列步骤进行的：
a.电极材料：先将高纯石墨棒钻孔，然后将氟化石墨粉装入孔洞中并压实作为阳极复合电极材料，阴极电极材料也是高纯石墨棒；
b.气体：将腔体抽至10Pa以下后，然后通入氢气和氦气的混合气体；
c.电弧放电：打开水冷却***，开启电弧设备预热一段时间；检查腔体气密性及石墨棒电极之间的距离，确定无误后引弧；调节电流至120～200A，调节阴极杆保持阴极棒和阳极棒之间距离为1～2mm；
d.样品收集：反应完毕后，等腔体完全冷却下来以后，收集沉积在腔体内壁周围及其顶部的烟灰为氟化石墨烯。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于在直径为6～12mm，长约100mm的石墨棒中钻孔，孔径为4～8mm，孔深50～70mm，然后将氟化石墨粉装入孔中，压实作为阳极电极材料，阴极电极材料为直径为12～16mm长约100mm的高纯石墨棒。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于将腔体内真空度抽到0.01kPa以下，通入总压力为13.3～80.0kPa氢气和氦气的混合气体的体积比为1:1。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于将电弧设备开启后预热5min以上。
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