JP5753274B2 - フッ化グラフェンの調製方法 - Google Patents

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Description

本発明は、有機半導体材料技術分野に属し、具体的にはフッ化グラフェン及びその調製方法に関する。
グラフェン材料は、2004年イギリスマンチェスター大学のアンドレ・ガイム(Andre K. Geim)らによって調製され以来、その独特の構造及び光電性質によって世に注目されている。グラフェンは、材料科学及び凝縮物質物理分野において上昇している「新星技術」と呼ばれ、それに備えている沢山の新規且つ独特の性質及び潜在的な応用は大勢の科学技術者の関心を引き付けている。単層グラフェンは大きな比表面積、優れた導電、熱伝導性及び低い熱膨張係数を有する。例えば、1.高強度、ヤング率(1100GPa)、断裂強度(125GPa)、2.高熱伝導率(5000W/mK)、3.高導電性、キャリヤ輸送率(200000cm2/V*s)、4.高い比表面積、(理論計算値:2630m2/g)。特にその高導電性質、大きい比表面性質及びその単分子層二次元のナノサイズの構造性質は、スーパーコンデンサ及びリチウムイオン電池において電極材料として使用できる。
フッ化黒鉛は、高エネルギーリチウムイオン電池の活性物質として、すでに新型化学電源研究者に重視され興味を引き起こしており、相応する高エネルギー電池の開発がすでに成功した。フッ化黒鉛−リチウム電池は以下の優れた性能を有する。(1)フッ化黒鉛−リチウム電池は、電圧が高く、エネルギー密度が高い。普通のマンガン電池の実際公称電圧が3V、エネルギー密度が360wh/kgであるが、円柱状フッ化黒鉛−リチウム電池の公称電圧はマンガン電池の2倍で、エネルギー密度はマンガン電池の5〜10倍である。(2)フッ化黒鉛−リチウム電池は、利用率が高く、電圧が安定である。放電反応に基づいて、導電性の炭素を生成するため、利用率はほぼ100%であり、放電する時に内部抵抗が増加しなく、放電電圧は放電の末期まで安定である。また、貯蔵期間が長く、適用温度範囲が広い。
フッ化グラフェンは、機械強度が高く、化学及び熱学性能が安定である化合物である。このような新材料は性能がポリテトラフルオロエチレンと非常に近、通常に二次元ポリテトラフルオロエチレンとも呼ばれる。
しかし、如何にしてフッ化グラフェンを簡単に得るかは現在の技術的課題である。
これに鑑み、プロセスが簡単であるフッ化グラフェンの少なくとも1つの調製方法及び前記フッ化グラフェンの調製方法により調製されたフッ化グラフェンを提供することが必要である。
フッ化グラフェンであって、フッ素の質量百分率は0.5%F%53.5%で、炭素の質量百分率は46.5%<C%<99.5%である。
好ましくは、フッ素の質量百分率は4.7%<F%<38.6%で、炭素の質量百分率は61.4%<C%<95.3%である。
フッ化グラフェンの調製方法であって、
黒鉛を提供するステップと、
前記黒鉛を使用して酸化グラフェンを調製するステップと、
無酸素環境において、前記酸化グラフェンとフッ素含有化合物とを質量比1:1〜1:100に基づいて混合した後、200℃〜1000℃下で1時間〜10時間反応させた後冷却して、前記フッ化グラフェンを得るステップと、を含む。
好ましくは、前記フッ素含有化合物はフッ化アンモニウム、フルオロホウ酸ナトリウム、フルオロホウ酸カリウム、フッ化アルミニウムカリウム及びフッ化ケイ酸ナトリウムのうちの少なくとも1種である。
好ましくは、前記フッ素含有化合物はポリテトラフルオロエチレン、ポリヘキサフルオロプロピレン及びポリフッ化ビニリデンのうちの少なくとも1種である。
好ましくは、前記酸化グラフェンと前記フッ素含有化合物との質量比は1:1〜1:50である。
好ましくは、前記酸化グラフェンと前記フッ素含有化合物とは500℃〜800℃下で反応して前記フッ化グラフェンを調製する。
好ましくは、前記フッ化グラフェンの調製方法はさらに前記フッ化グラフェンを得た後順に水及びエタノールで洗浄、乾燥を行う精製操作を含む。
好ましくは、前記黒鉛を使用して酸化グラフェンを調製するステップは、
前記黒鉛、過硫酸カリウム及び五酸化二リンを質量比2:1:1に基づいて75℃〜95℃の濃硫酸に加え、撹拌して均一にした後自然冷却し、中性になるまで洗浄した後乾燥して、前処理された混合物を得るステップと、
前記前処理された混合物を過マンガン酸カリウムと温度が20℃よりも低い濃硫酸に加え、その後30℃〜40℃下でオイルバスに1.5時間〜2.5時間浸漬させ、脱イオン水を加え、15分後過酸化水素を加えて反応させ、真空ろ過し、固体を収集するステップと、
前記固体を希塩酸で洗浄し、乾燥を行って、前記酸化グラフェンを得るステップと、を含む。
好ましくは、前記黒鉛の純度は99.5%より高い。
前記フッ化グラフェンの調製方法は、黒鉛を使用して酸化グラフェンを調製し、さらに酸化グラフェンをフッ素含有の化合物と所定の温度下反応させ、プロセスが簡単であり、フッ化グラフェンを容易に調製できる。
図1は、1つの実施態様のフッ化グラフェンの調製方法のフローチャートである。 図2は、実施例1により調製されたフッ化グラフェンのC1sのXPSスペクトルである。 図3は、実施例1により調製されたフッ化グラフェンのF1sのXPSスペクトルである。 図4は、実施例1により調製されたフッ化グラフェンのSEM電子顕微鏡画像である。
以下、図面及び実施例を参照して、フッ化グラフェンの調製方法に対してさらに説明する。
フッ化グラフェンであって、フッ素の質量百分率は0.5%F%53.5%で、炭素の質量百分率は46.5%<C%<99.5%である。
好適な実施例において、フッ素の質量百分率は4.7%<F%<38.6%で、炭素の質量百分率は61.4%<C%<95.3%である。
このようなフッ化グラフェンは、フッ素原子によって酸化グラフェンにおける酸素原子を置換することによって得られる。
電子顕微鏡下で見えるように、このようなフッ化グラフェンの表面には、比表面積を向上できる皺状構造を有する。
前記フッ化グラフェンには微量のHが含まれているが、含有量が非常に低いため、無視してもよい。
図1に示す前記フッ化グラフェンの調製方法であって、
(ステップS01:黒鉛を提供する。)
純度が99.5%より高い黒鉛を購入する。
(ステップS02:黒鉛を使用して酸化グラフェンを調製する。)
一般的に、Hummers法によって酸化黒鉛を調製でき、すなわち、黒鉛、過マンガン酸カリウム及び高濃度強酸化性の酸(硫酸または硝酸)を同一の容器に加えて水浴またはオイルバスで加熱し、十分酸化させた後取り出し、まず過酸化水素で過マンガン酸カリウムを還元し、さらに蒸留水または塩酸で生成物を複数回洗浄し、乾燥した後酸化黒鉛を得る。
酸化グラフェンを調製するため、Hummers法に対して改良を行うことができ、改良後の調製過程は以下のステップを含む。
まず、黒鉛、過硫酸カリウム及び五酸化二リンを質量比2:1:1に基づいて75℃〜95℃の濃硫酸に加え、撹拌して均一にさせた後自然冷却し、中性になるまで洗浄した後乾燥して、前処理された混合物を得る。
次ぎ、前記前処理された混合物及び過マンガン酸カリウムを濃硫酸に加え、温度を20℃より低く維持し、その後30℃〜40℃のオイルバスに1.5時間〜2.5時間浸漬させ、脱イオン水を加え、15分後過酸化水素を加えて反応させ、真空ろ過し、固体を収集する。
最後に、前記固体を希塩酸で洗浄し、乾燥して酸化グラフェンを得る。
オイルバスの目的は、反応温度をよりよく制御することにある。その後の実施態様において、水浴を使用してもよい。
(ステップS03:酸化グラフェンとフッ素含有化合物とを反応させてフッ化グラフェンを得る。)
ステップ02から得た酸化グラフェンを使用してフッ素含有化合物と反応させてフッ化グラフェンを調製する方法は固相法と呼ばれ、フッ素含有化合物がフッ素含有無機物とフッ素含有重合体とに分けられることで、固相法は無機固相法と有機固相法とを含み、以下、順次に具体的に説明する。
(無機固相法によってフッ化グラフェンを調製する。)
本方法は、加熱分解できるフッ素含有化合物を使用してステップS02から得た酸化グラフェンと反応させ、使用されるフッ素含有化合物は一般的にフッ化アンモニウム、フルオロホウ酸ナトリウム、フルオロホウ酸カリウム、フッ化アルミニウムカリウム及びフッ化ケイ酸ナトリウムを例として挙げられる。実際の操作する時に、そのうちの1種を選んでもよく、複種を選んで混合してもよい。
まず、フッ素含有化合物に対して乾燥処理を行い、乾燥する温度はその分解温度より低い。
その後、酸化グラフェンとフッ素含有無機物とを質量比1:1〜1:100で均一に混合した後反応装置に加え、200℃〜1000℃で1時間〜10時間熱処理し、十分反応させた後冷却し、反応物を取り出して且つ順に水及びエタノールで洗浄した後、80℃下で24時間真空乾燥してフッ化グラフェンを得る。
好ましい実施例において、酸化グラフェンとフッ素含有無機物質との質量比は1:1〜1:50であり、酸化グラフェンはフッ素含有無機物と500℃〜800℃下で反応する。
熱処理の具体的な温度は実際に選択するフッ素含有無機物に応じて設定する。
(有機固相法によってフッ化グラフェンを調製する。)
本方法は加熱分解できるフッ素含有重合体を使用してステップS02から得た酸化グラフェンと反応させ、使用されるフッ素含有重合体は一般的にポリテトラフルオロエチレン、ポリヘキサフルオロプロピレン及びポリフッ化ビニリデンを例として挙げられる。実際に操作する時に、そのうちの1種を選んでもよく、複種を選んで混合してもよい。
まず、フッ素含有重合体を沸騰水に入れて3時間以上沸騰させ、さらに加熱乾燥する。
その後、酸化グラフェンとフッ素含有重合体とを質量比1:1〜1:100で有機溶剤において均一に混合した後加熱乾燥し、打錠した後無酸素条件下で200℃〜800℃で1時間〜10時間熱処理し、十分反応した後冷却して、フッ化グラフェンを得る。
好ましい実施例において、酸化グラフェンとフッ素含有重合体との質量比は1:1〜1:50であり、酸化グラフェンはフッ素含有重合体と500℃〜800℃下で反応する。
一般的に、無酸素条件は不活性ガスまたは窒素ガスの保護によって実現できる。
前記フッ化グラフェンの調製方法は黒鉛を使用して酸化グラフェンを調製し、さらに酸化グラフェンをフッ素含有化合物と所定の温度下で反応させ、プロセスが簡単で、フッ化グラフェンを容易に調製できる。
調製されたフッ化グラフェンはスーパーコンデンサ、リチウムイオン二次電池の電極材料として応用できる。
以下は具体的な実施例である。
[実施例1]
本実施例の酸化グラフェンによってフッ化グラフェンを調製するプロセスは以下の通りである。
黒鉛→酸化グラフェン→フッ化グラフェン
(1)黒鉛:純度99.5%
(2)酸化グラフェン
改良されたHummers法によって酸化グラフェンを調製する。その具体的なステップは、50メッシュの黒鉛粉末20g、10gの過硫酸カリウム及び10gの五酸化二リンを75℃の濃硫酸に加え、撹拌して均一にし、6時間以上冷却し、中性になるまで洗浄した後乾燥する。乾燥後のサンプルを0℃、230mlの濃硫酸に加え、さらに60gの過マンガン酸カリウムを加え、混合物の温度を20℃以下に維持し、その後40℃のオイルバスにおいて1.5時間保持した後、920mlの脱イオン水を徐々に加える。15分後、さらに2.8Lの脱イオン水(そのうち、30%濃度の過酸化水素50mlを含有する)を加えると、混合物の色がブリリアントイエローになる。熱いうちに真空ろ過し、さらに濃度が10%である塩酸5Lを使用して洗浄を行い、真空ろ過し、60℃下で48時間真空乾燥して酸化グラフェンを得る。
(3)フッ化グラフェン
固相法によってフッ化グラフェンを調製する。その具体的なステップは、フッ素含有無機物フッ化アンモニウムと、十分乾燥された酸化グラフェンとを、質量比フッ化アンモニウム:酸化グラフェン=100:1に基づいて均一に混合した後重量を量って反応装置に加え、500℃下で5時間反応させる。少々冷却した後反応物を取り出し、順に水及びエタノールで洗浄した後、80℃下で24時間真空乾燥してフッ化グラフェンを得る。
得たフッ化グラフェンに対して以下の実験を行う。
XPSテスト実験条件:サンプルをVG Scientific ESCALab220i−XL型光電子分光装置によって分析する。励起源はAlKα X線で、パワーは300Wである。分析する時のベース真空は3×10−9mbarである。電子結合エネルギーは汚染炭素のC1sピック(284.8eV)によって校正する。
元素相対定量計算:
[式]
式中、
Ii:i元素のピーク強度(面積)
Si:i元素の相対元素敏感度因子
表1から分かるようにFの質量百分率は53.5%である。
に示されるのは、本実施例により調製されたフッ化グラフェンのC1sのXPSフルスペクトルである。図から分かるように、調製されたフッ化グラフェンは、284.8eVの位置において非常に強いピック値を有し、対応するフッ化グラフェンにおける炭素結合の構造はC−C(284.8eV)である。
に示されるのは本実施例により調製されたフッ化グラフェンのF1sのXPSフルスペクトルである。図から分かるように、調製されたフッ化グラフェンは689.5eVの位置において非常に強いピック値を有し、対応するフッ化グラフェンにおける炭素結合の構造はC−F(689.5eV)である。
に示されるのは本実施例により調製されたフッ化グラフェンのSEM電子顕微鏡画像である。図から分かるように、得たフッ化グラフェンの表面に皺状構造を有しており、このような皺状構造は材料の比表面積を向上することに有利である。
[実施例2]
本実施例の酸化グラフェンによってフッ化グラフェンを調製するプロセスは以下の通りである。
黒鉛→酸化グラフェン→フッ化グラフェン
(1)黒鉛:純度99.5%
(2)酸化グラフェン
改良されたHummers法によって酸化グラフェンを調製する。その具体的なステップは、50メッシュの黒鉛粉末20g、10gの過硫酸カリウム及び10gの五酸化二リンを95℃の濃硫酸に加え、撹拌して均一にし、6時間以上冷却し、中性になるまで洗浄した後乾燥する。乾燥後のサンプルを0℃、230mlの濃硫酸に加え、さらに60gの過マンガン酸カリウムを加え、混合物の温度を20℃以下に維持し、その後30℃のオイルバスにおいて2.5時間保持した後、920mlの脱イオン水を徐々に加える。15分後、さらに2.8Lの脱イオン水(そのうち、30%濃度の過酸化水素50mlを含有する)を加えると、混合物の色がブリリアントイエローになる。熱いうちに真空ろ過し、さらに濃度が10%である塩酸5Lを使用して洗浄を行い、真空ろ過し、60℃下で48時間真空乾燥して酸化グラフェンを得る。
(3)フッ化グラフェン
固相法によってフッ化グラフェンを調製する。その具体的なステップは、フッ素含有無機物フルオロホウ酸ナトリウムと、十分乾燥された酸化グラフェンとを、質量比フルオロホウ酸ナトリウム:酸化グラフェン=50:1に基づいて均一に混合した後重量を量って反応装置に加え、800℃下で4時間反応させる。少々冷却した後反応物を取り出し、順に水及びエタノールで洗浄した後、80℃下で24時間真空乾燥してフッ化グラフェンを得る。
表1から分かるようにFの質量百分率は38.6%である。
[実施例3]
本実施例の酸化グラフェンによってフッ化グラフェンを調製するプロセスは以下の通りである。
黒鉛→酸化グラフェン→フッ化グラフェン
(1)黒鉛:純度99.5%
(2)酸化グラフェン
改良されたHummers法によって酸化グラフェンを調製する。その具体的なステップは、50メッシュの黒鉛粉末20g、10gの過硫酸カリウム及び10gの五酸化二リンを80℃の濃硫酸に加え、撹拌して均一にし、6時間以上冷却し、中性になるまで洗浄した後乾燥する。乾燥後のサンプルを0℃、230mlの濃硫酸に加え、さらに60gの過マンガン酸カリウムを加え、混合物の温度を20℃以下に維持し、その後35℃のオイルバスにおいて2時間保持した後、920mlの脱イオン水を徐々に加える。15分後、さらに2.8Lの脱イオン水(そのうち、30%濃度の過酸化水素50mlを含有する)を加えると、混合物の色がブリリアントイエローになる。熱いうちに真空ろ過し、さらに濃度が10%である塩酸5Lを使用して洗浄を行い、真空ろ過し、60℃下で48時間真空乾燥して酸化グラフェンを得る。
(3)フッ化グラフェン
固相法によってフッ化グラフェンを調製する。その具体的なステップは、フッ素含有無機物フッ化ケイ酸ナトリウムと、十分乾燥された酸化グラフェンとを、質量比フッ化ケイ酸ナトリウム:酸化グラフェン=80:1に基づいて均一に混合した後重量を量って反応装置に加え、1000℃下で1時間反応させる。少々冷却した後反応物を取り出し、順に水及びエタノールで洗浄した後、80℃下で24時間真空乾燥してフッ化グラフェンを得る。
表1から分かるようにFの質量百分率は28.4%である。
[実施例4]
本実施例の酸化グラフェンによってフッ化グラフェンを調製するプロセスは以下の通りである。
黒鉛→酸化グラフェン→フッ化グラフェン
(1)黒鉛:純度99.5%
(2)酸化グラフェン
改良されたHummers法によって酸化グラフェンを調製する。その具体的なステップは、50メッシュの黒鉛粉末20g、10gの過硫酸カリウム及び10gの五酸化二リンを95℃の濃硫酸に加え、撹拌して均一にし、6時間以上冷却し、中性になるまで洗浄した後乾燥する。乾燥後のサンプルを0℃、230mlの濃硫酸に加え、さらに60gの過マンガン酸カリウムを加え、混合物の温度を20℃以下に維持し、その後35℃のオイルバスにおいて1.5時間保持した後、920mlの脱イオン水を徐々に加える。15分後、さらに2.8Lの脱イオン水(そのうち、30%濃度の過酸化水素50mlを含有する)を加えると、混合物の色がブリリアントイエローになる。熱いうちに真空ろ過し、さらに濃度が10%である塩酸5Lを使用して洗浄を行い、真空ろ過し、60℃下で48時間真空乾燥して酸化グラフェンを得る。
(3)フッ化グラフェン
固相法によってフッ化グラフェンを調製する。その具体的なステップは、フッ素含有無機物フッ化アルミニウムカリウムと、十分乾燥された酸化グラフェンとを、質量比フッ化アルミニウムカリウム:酸化グラフェン=45:1に基づいて均一に混合した後重量を量って反応装置に加え、200℃下で10時間反応させる。少々冷却した後反応物を取り出し、順に水及びエタノールで洗浄した後、80℃下で24時間真空乾燥してフッ化グラフェンを得る。
表1から分かるようにFの質量百分率は35.2%である。
[実施例5]
本実施例の酸化グラフェンによってフッ化グラフェンを調製するプロセスは以下の通りである。
黒鉛→酸化グラフェン→フッ化グラフェン
(1)黒鉛:純度99.5%
(2)酸化グラフェン
改良されたHummers法によって酸化グラフェンを調製する。その具体的なステップは、50メッシュの黒鉛粉末20g、10gの過硫酸カリウム及び10gの五酸化二リンを75℃の濃硫酸に加え、撹拌して均一にし、6時間以上冷却し、中性になるまで洗浄した後乾燥する。乾燥後のサンプルを0℃、230mlの濃硫酸に加え、さらに60gの過マンガン酸カリウムを加え、混合物の温度を20℃以下に維持し、その後40℃のオイルバスにおいて2時間保持した後、920mlの脱イオン水を徐々に加える。15分後、さらに2.8Lの脱イオン水(そのうち、30%濃度の過酸化水素50mlを含有する)を加えると、混合物の色がブリリアントイエローになる。熱いうちに真空ろ過し、さらに濃度が10%である塩酸5Lを使用して洗浄を行い、真空ろ過し、60℃下で48時間真空乾燥して酸化グラフェンを得る。
(3)フッ化グラフェン
固相法によってフッ化グラフェンを調製する。その具体的なステップは、沸騰水に3時間煮て、加熱乾燥した後のフッ素含有重合体ポリテトラフルオロエチレンと、十分乾燥された酸化グラフェンとを、質量比ポリテトラフルオロエチレン:酸化グラフェン=30:1に基づいて有機溶剤において均一に混合し、その後加熱乾燥箱に入れて約150℃で加熱乾燥し、その後打錠してニッケルボートに入れる。ニッケルボートを高温炉の石英管内に入れて窒素ガスを適量注入した後密封して加熱する。炉温を800℃に制御し、5時間反応させた後、石英管を取り出して冷却して、フッ化グラフェンを得る。
表1から分かるようにFの質量百分率は17%である。
[実施例6]
本実施例の酸化グラフェンによってフッ化グラフェンを調製するプロセスは以下の通りである。
黒鉛→酸化グラフェン→フッ化グラフェン
(1)黒鉛:純度99.5%
(2)酸化グラフェン
改良されたHummers法によって酸化グラフェンを調製する。その具体的なステップは、50メッシュの黒鉛粉末20g、10gの過硫酸カリウム及び10gの五酸化二リンを85℃の濃硫酸に加え、撹拌して均一にし、6時間以上冷却し、中性になるまで洗浄した後乾燥する。乾燥後のサンプルを0℃、230mlの濃硫酸に加え、さらに60gの過マンガン酸カリウムを加え、混合物の温度を20℃以下に維持し、その後35℃のオイルバスにおいて1.5時間保持した後、920mlの脱イオン水を徐々に加える。15分後、さらに2.8Lの脱イオン水(そのうち、30%濃度の過酸化水素50mlを含有する)を加えると、混合物の色がブリリアントイエローになる。熱いうちに真空ろ過し、さらに濃度が10%である塩酸5Lを使用して洗浄を行い、真空ろ過し、60℃下で48時間真空乾燥して酸化グラフェンを得る。
(3)フッ化グラフェン
固相法によってフッ化グラフェンを調製する。その具体的なステップは、沸騰水に3時間煮て、加熱乾燥した後のフッ素含有重合体ポリヘキサフルオロプロピレンと、十分乾燥された酸化グラフェンとを、質量比ポリヘキサフルオロプロピレン:酸化グラフェン=15:1に基づいて有機溶剤において均一に混合し、その後加熱乾燥箱に入れて約150℃で加熱乾燥し、その後打錠してニッケルボートに入れる。ニッケルボートを高温炉の石英管内に入れて窒素ガスを適量注入した後密封して加熱する。炉温を200℃に制御し、4時間反応させた後、石英管を取り出して冷却して、フッ化グラフェンを得る。
表1から分かるようにFの質量百分率は0.5%である。
[実施例7]
本実施例の酸化グラフェンによってフッ化グラフェンを調製するプロセスは以下の通りである。
黒鉛→酸化グラフェン→フッ化グラフェン
(1)黒鉛:純度99.5%
(2)酸化グラフェン
改良されたHummers法によって酸化グラフェンを調製する。その具体的なステップは、50メッシュの黒鉛粉末20g、10gの過硫酸カリウム及び10gの五酸化二リンを85℃の濃硫酸に加え、撹拌して均一にし、6時間以上冷却し、中性になるまで洗浄した後乾燥する。乾燥後のサンプルを0℃、230mlの濃硫酸に加え、さらに60gの過マンガン酸カリウムを加え、混合物の温度を20℃以下に維持し、その後35℃のオイルバスにおいて2.5時間保持した後、920mlの脱イオン水を徐々に加える。15分後、さらに2.8Lの脱イオン水(そのうち、30%濃度の過酸化水素50mlを含有する)を加えると、混合物の色がブリリアントイエローになる。熱いうちに真空ろ過し、さらに濃度が10%である塩酸5Lを使用して洗浄を行い、真空ろ過し、60℃下で48時間真空乾燥して酸化グラフェンを得る。
(3)フッ化グラフェン
固相法によってフッ化グラフェンを調製する。その具体的なステップは、沸騰水に3時間煮て、加熱乾燥した後のフッ素含有重合体ポリフッ化ビニリデンと、十分乾燥された酸化グラフェンとを、質量比ポリフッ化ビニリデン:酸化グラフェン=5:1に基づいて有機溶剤において均一に混合し、その後加熱乾燥箱に入れて約150℃で加熱乾燥し、その後打錠してニッケルボートに入れる。ニッケルボートを高温炉の石英管内に入れて窒素ガスを適量注入した後密封して加熱する。炉温を1000℃に制御し、1時間反応させた後、石英管を取り出して冷却して、フッ化グラフェンを得る。
表1から分かるようにFの質量百分率は18.5%である。
[実施例8]
本実施例の酸化グラフェンによってフッ化グラフェンを調製するプロセスは以下の通りである。
黒鉛→酸化グラフェン→フッ化グラフェン
(1)黒鉛:純度99.5%
(2)酸化グラフェン
改良されたHummers法によって酸化グラフェンを調製する。その具体的なステップは、50メッシュの黒鉛粉末20g、10gの過硫酸カリウム及び10gの五酸化二リンを80℃の濃硫酸に加え、撹拌して均一にし、6時間以上冷却し、中性になるまで洗浄した後乾燥する。乾燥後のサンプルを0℃、230mlの濃硫酸に加え、さらに60gの過マンガン酸カリウムを加え、混合物の温度を20℃以下に維持し、その後35℃のオイルバスにおいて1.5時間保持した後、920mlの脱イオン水を徐々に加える。15分後、さらに2.8Lの脱イオン水(そのうち、30%濃度の過酸化水素50mlを含有する)を加えると、混合物の色がブリリアントイエローになる。熱いうちに真空ろ過し、さらに濃度が10%である塩酸5Lを使用して洗浄を行い、真空ろ過し、60℃下で48時間真空乾燥して酸化グラフェンを得る。
(3)フッ化グラフェン
固相法によってフッ化グラフェンを調製する。その具体的なステップは、沸騰水に3時間煮て、加熱乾燥した後のフッ素含有重合体ポリフッ化ビニリデンと、十分乾燥された酸化グラフェンとを、質量比ポリフッ化ビニリデン:酸化グラフェン=1:1に基づいて有機溶剤において均一に混合し、その後加熱乾燥箱に入れて約150℃で加熱乾燥し、その後打錠してニッケルボートに入れる。ニッケルボートを高温炉の石英管内に入れて窒素ガスを適量注入した後密封して加熱する。炉温を500℃に制御し、3時間反応させた後、石英管を取り出して冷却して、フッ化グラフェンを得る。
表1から分かるようにFの質量百分率は4.7%である。
[表1]フッ化グラフェンのフッ素含有量
前記実施例は本発明の複種の実施形態のみを述べ、その説明は比較的具体的詳しいが、ただし本発明の特許範囲に対する制限として認識することではない。指摘すべきなのは、本分野の当業者にとって、本発明の構想を逸脱しない前提下で、さらに複数の変形及び改良を行うことができ、これらは共に本発明の保護範囲に属する。そのため、本発明の特許の保護範囲は添付の請求項に準ずるべきである。

Claims (8)

  1. Fの質量百分率は0.5%≦F%≦53.5%で、Cの質量百分率は46.5%<C%<99.5%であるフッ化グラフェンの調製方法であって
    黒鉛を準備するステップと、前記黒鉛を使用して酸化グラフェンを調製するステップと、無酸素環境において、前記酸化グラフェンとフッ素含有化合物とを質量比1:1〜1:100に基づいて混合した後、200℃〜1000℃下で1時間〜10時間反応させた後冷却して、前記フッ化グラフェンを得るステップと、を含む、ことを特徴とするフッ化グラフェンの調製方法。
  2. 前記フッ素含有化合物は、フッ化アンモニウム、フルオロホウ酸ナトリウム、フルオロホウ酸カリウム、フッ化アルミニウムカリウム及びフッ化ケイ酸ナトリウムのうちの少なくとも1種である、ことを特徴とする請求項に記載のフッ化グラフェンの調製方法。
  3. 前記フッ素含有化合物は、ポリテトラフルオロエチレン、ポリヘキサフルオロプロピレン及びポリフッ化ビニリデンのうちの少なくとも1種である、ことを特徴とする請求項に記載のフッ化グラフェンの調製方法。
  4. 前記酸化グラフェンと前記フッ素含有化合物との質量比は、1:1〜1:50である、ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のフッ化グラフェンの調製方法。
  5. 前記酸化グラフェンと前記フッ素含有化合物とは、500℃〜800℃下で反応して前記フッ化グラフェンを調製する、ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のフッ化グラフェンの調製方法。
  6. 前記フッ化グラフェンの調製方法はさらに前記フッ化グラフェンを得た後、順に水及びエタノールで洗浄、乾燥を行う精製操作を含む、ことを特徴とする請求項に記載のフッ化グラフェンの調製方法。
  7. 前記黒鉛を使用して酸化グラフェンを調製するステップは、
    前記黒鉛、過硫酸カリウム及び五酸化二リンを質量比2:1:1に基づいて75℃〜95℃の濃硫酸に加え、撹拌して均一にした後自然冷却し、中性になるまで洗浄した後乾燥して、前処理された混合物を得るステップと、
    前記前処理された混合物を過マンガン酸カリウムと温度が20℃よりも低い濃硫酸に加え、その後30℃〜40℃下でオイルバスに1.5時間〜2.5時間浸漬させ、脱イオン水を加え、15分後過酸化水素を加えて反応させ、真空ろ過し、固体を収集するステップと、
    前記固体を希塩酸で洗浄し、乾燥を行って、前記酸化グラフェンを得るステップと、を含む、ことを特徴とする請求項に記載のフッ化グラフェンの調製方法。
  8. 前記黒鉛の純度は99.5%より高い、ことを特徴とする請求項に記載のフッ化グラフェンの調製方法。
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