[發(fā)明專利]一種大批量生產(chǎn)不同氟含量氟化石墨烯的方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710984731.8
• 申請日: 2017-10-20
• 公開（公告）號(hào): CN107500275A
• 公開（公告）日: 2017-12-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 郭飛飛;劉超;楊敏;方治文
• 申請（專利權(quán)）人: 山東重山光電材料股份有限公司
• 主分類號(hào): C01B32/184
• 分類號(hào): C01B32/184;C01B32/194
• 代理公司: 濟(jì)南舜昊專利代理事務(wù)所(特殊普通合伙)37249
• 代理人: 宋玉霞

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于氟化石墨烯制備的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種大批量生產(chǎn)不同氟含量氟化石墨烯的方法。

背景技術(shù)

在眾多炭材料中，由于獨(dú)特的二維（2-D）結(jié)構(gòu)、巨大的比表面積、優(yōu)異的電導(dǎo)率和卓越的機(jī)械、化學(xué)穩(wěn)定性，使得石墨烯受到了廣泛專注。尤其是高導(dǎo)電性質(zhì)和大的比表面性質(zhì)，使得石墨烯成為超級(jí)電容器和鋰離子電池中電極材料的首選。

最近一些科研工作者通過對石墨烯進(jìn)行化學(xué)修飾來改變石墨烯的化學(xué)結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能，制備了一系列功能化石墨烯，并利用其不同的性質(zhì)開創(chuàng)了石墨烯全新的應(yīng)用領(lǐng)域。而作為石墨烯重要的衍生物，氟化石墨烯不但保留了部分石墨烯的SP²結(jié)構(gòu)，還引入了F原子構(gòu)成了部分SP³結(jié)構(gòu)。相比石墨烯，F(xiàn)原子的引入使得氟化石墨烯具有較低的表面能、較強(qiáng)的疏水和疏油性、優(yōu)異的潤滑性、超高的理論比容量以及較大的帶隙寬度等特性，因此可廣泛應(yīng)用于自清潔材料、特種涂料、固體潤滑劑、鋰一次電池和納米電子器件等。

氟化石墨烯隨著F含量的逐漸增加，先由憎水性變?yōu)橛H水性，最后轉(zhuǎn)變?yōu)槌?jí)憎水性。所以氟含量的高低對氟化石墨烯各方面的性能，如其化學(xué)性能、電學(xué)性能、吸附性能等有著直接的影響。因此生產(chǎn)具有不同氟含量的氟化石墨烯成為拓展其應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。

目前制備氟化石墨烯有兩種技術(shù)路線：一種是物理剝離法，先制備氟化石墨，再通過溶劑插層、超聲剝離的方法制備氟化石墨烯；另一種是化學(xué)反應(yīng)法，先制備石墨烯，再與氟化劑直接反應(yīng)得到氟化石墨烯。但是通過物理剝離氟化石墨的方法制備的氟化石墨烯片層破壞嚴(yán)重且質(zhì)量較差（只有極少數(shù)在10層以下），無法進(jìn)行量產(chǎn)。化學(xué)反應(yīng)法中采用化學(xué)試劑還原氧化石墨制備石墨烯，產(chǎn)生大量廢水，處理過程較為繁瑣且成本較高；氟化采用的氟化劑（如XeF₂、SF₆、NF₃、BrF₃、ClF₃等等）本身價(jià)格昂貴，且與石墨烯反應(yīng)需要較高的反應(yīng)溫度（550~800℃），成本較高；而采用高濃度（5~100%）的F₂作為氟化劑，反應(yīng)劇烈，對設(shè)備損害嚴(yán)重且大大降低了氟化石墨烯的品質(zhì)，進(jìn)而限制了氟化石墨烯的大規(guī)模應(yīng)用。

所以如何低成本、高質(zhì)量的大批量生產(chǎn)不同氟含量的氟化石墨烯是現(xiàn)有技術(shù)領(lǐng)域急需解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對目前氟化石墨烯的成本高、產(chǎn)量低和質(zhì)量差等問題，提供一種低成本、高質(zhì)量的大批量生產(chǎn)氟化石墨烯的方法，具體為將石墨通過改進(jìn)的Hummers法制備氧化石墨，然后采用熱還原方法將所述氧化石墨還原成石墨烯，再將所述石墨烯與氟化劑反應(yīng)，得到所述氟化石墨烯。該方法所制備的氟化石墨烯產(chǎn)量高達(dá)10噸/年，氟含量范圍廣泛（3~65%）并可精確調(diào)控，在導(dǎo)電添加劑、鋰電池、超級(jí)電容器、固體潤滑、涂料等諸多領(lǐng)域具有較強(qiáng)的應(yīng)用前景，且工藝簡單安全，成本低，綠色環(huán)保。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種氟化石墨烯的生產(chǎn)方法，包括以下步驟：

（1）將石墨通過改進(jìn)的Hummers法制備氧化石墨；

（2）采用熱還原方法將所述氧化石墨還原成石墨烯；

（3）將所述石墨烯與氟化劑，得到所述氟化石墨烯，氟化劑為F₂/N₂混合氣。

本發(fā)明的特點(diǎn)還有：

步驟（1）中所述的石墨采用市售的鱗片石墨（D₅₀≤ 50μm），其碳含量大于99.5%。

步驟（2）中所述的熱還原方法是將步驟（1）得到氧化石墨放入密閉反應(yīng)爐中，在N₂氛圍下將反應(yīng)爐以1~10℃/min的升溫速率升至50 ~ 1200℃，反應(yīng)6 ~ 24 h，得到具有不同氧含量的石墨烯，作為優(yōu)選，石墨烯的氧含量為1 ~ 55%。

作為優(yōu)選，步驟（2）中所述的熱還原方法中的升溫速率為5℃/min，到達(dá)指定溫度后反應(yīng)6~24 h，得到石墨烯。進(jìn)一步優(yōu)選，步驟（2）中所述熱還原反應(yīng)時(shí)間為12 h。

步驟（3）中石墨烯與F₂/N₂混合氣的反應(yīng)條件為：以1~15℃/min的升溫速率升至50~500℃，保溫12~36h。作為進(jìn)一步優(yōu)選，所述升溫速率為10℃/min。

步驟（3）中所述的F₂/N₂混合氣中F₂的體積分?jǐn)?shù)為1~3%。作為優(yōu)選，混合氣中F₂的體積分?jǐn)?shù)為2%。