[發明專利]高導電氯化鐵摻雜石墨烯納米片粉體材料的宏量制備方法

有效

• 申請號: 201510854032.2
• 申請日: 2015-11-30
• 公開（公告）號: CN106809827B
• 公開（公告）日: 2018-08-31
• 發明（設計）人: 裴嵩峰;黃坤;任文才;成會明
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: C01B32/19
• 分類號: C01B32/19;B82Y30/00
• 代理公司: 沈陽優普達知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 21234
• 代理人: 張志偉

本發明涉及石墨烯領域，具體為一種高導電的氯化鐵摻雜石墨烯納米片粉體材料的宏量制備方法。在干燥環境中將無水氯化鐵粉體、鱗片石墨粉體以及五氧化二磷粉體混合均勻后加入反應釜中，對反應釜抽真空并充入氯氣和保護性氣體的混合氣后密封加熱，在350～400℃保溫5～12小時后冷卻取出，將所得物料清洗烘干后制得具有特殊插層結構的氯化鐵插層石墨。將該插層石墨加入含有過氧化氫和絡合劑的水溶液中進行膨脹剝離，收集剝離后的物料干燥后即得到氯化鐵摻雜的石墨烯納米片粉體材料，該石墨烯粉體材料的薄膜電導率可達5000S/cm以上，可替代貴金屬作為高導電材料用于印刷電子器件的制備，可降低印刷電子器件的制作成本并提高性能。

技術領域

本發明涉及石墨烯領域，具體為一種高導電的氯化鐵摻雜石墨烯納米片粉體材料的宏量制備方法。

背景技術

石墨烯是一種新型二維納米材料，它是一種完全由sp2雜化的碳原子構成的厚度僅為單原子層或數個原子層的晶體材料，具有高導電導熱性、高比表面積、高強度及柔韌性等優異的性能，可望在高性能納電子器件、光電器件、氣體傳感器、復合材料、場發射材料及能量存儲等領域獲得廣泛應用。其中，利用其導電性制備抗靜電材料、導電防腐涂料、導電油墨等產品已表現出明顯優于傳統基于導電炭黑和石墨的現有商用產品。這類應用中以石墨烯納米片粉體材料作為主要導電物質，通過相互搭接在聚合物基體中構建導電通路使復合材料具有導電性。然而，其導電性與使用金屬填料的產品相比還有很大差距，這主要是由于石墨烯納米片的本征電導率略低而相互之間的接觸電阻極高造成的。

微觀上，物質的電導率是其載流子濃度和遷移率的乘積，石墨烯是一種低載流子濃度高遷移率的材料，其載流子遷移率為金屬(如銀、銅、鋁等)的10倍以上，而載流子濃度僅為金屬材料的0.1％～1％。因此，利用化學摻雜的方法提高石墨烯片層的載流子濃度一直是提高石墨和石墨烯導電性的一個重要研究方向。早在1981年，美國麻省理工學院的Dresselhaus教授就在其研究論文(Intercalation compounds ofgraphite.Dresselhaus,M.S.；Dresselhaus,G.,Advances in Physics 1981,30,1-186)中指出利用堿金屬或金屬氯化物、氟化物等對石墨材料進行插層得到的石墨插層化合物具有與銅相當或更高的導電性；但是，大多數石墨插層化合物在大氣環境中是不穩定的，插入石墨層間的物質會發生氧化(如堿金屬等)或自發的從石墨層間逸出而失去摻雜作用；而氯化鐵插層石墨則是已發現石墨插層化合物中最穩定的，可以在大氣環境中長期使用。2012年，英國艾克賽特大學的Cracium教授發表文章介紹了利用氯化鐵通過雙室插層法對單片石墨烯進行插層摻雜處理可以使石墨烯的導電性提高至原來的十倍以上，并且可以在常溫及大氣環境中長期保持穩定。上述結果表明利用氯化鐵對石墨烯進行摻雜可以有效提高石墨烯納米片的導電性，進而獲得更好的應用。

發明內容

本發明的目的在于提供一種高導電的氯化鐵摻雜石墨烯納米片粉體材料的宏量制備方法，通過對具有特定插層結構的石墨插層化合物進行液相膨脹剝離，可以宏量的制備出層間具有穩定氯化鐵摻雜結構的少層石墨烯納米片粉體材料。

本發明的技術方案是：

一種高導電氯化鐵摻雜石墨烯納米片粉體材料的宏量制備方法，在干燥環境中將無水氯化鐵粉體、鱗片石墨粉體以及五氧化二磷粉體混合均勻后加入不銹鋼材質的反應釜中，對反應釜抽真空并充入氯氣和保護性氣體的混合氣后密封加熱，在350～400℃保溫5～12小時后冷卻取出，將所得物料清洗烘干后制得具有特殊插層結構的氯化鐵插層石墨；將該插層石墨加入含有過氧化氫和絡合劑的水溶液中進行膨脹剝離，收集剝離后的物料干燥后即得到氯化鐵摻雜的石墨烯納米片粉體材料。

所述的高導電氯化鐵摻雜石墨烯納米片粉體材料的宏量制備方法，用于插層反應的反應釜為不銹鋼材質，固體物料加入反應釜后所占的體積為反應釜總容積的10％～80％。