一种氟化石墨烯及其制备方法、应用技术

技术编号:20086404 阅读:47 留言:0更新日期:2019-01-15 05:39
本发明专利技术提供了一种氟化石墨烯及其制备方法、应用。一种氟化石墨烯的制备方法,包括下列步骤:使还原氧化石墨烯与氟化剂在280~550℃下发生氟化反应;所述氟化剂为F2与惰性气体的混合气体,混合气体中氟体积浓度为1~10%,优选3~10%,优选3~8%,优选3~5%。本发明专利技术用F2与惰性气体的混合气体对还原氧化石墨烯氟化改性,提高了工艺的安全性、稳定性和可控性,并有效降低高纯F2对氟化设备的腐蚀,解决了目前工艺成本高以及氟化品质低的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种氟化石墨烯及其制备方法、应用
本专利技术涉及材料
,尤其是涉及一种氟化石墨烯及其制备方法、应用。
技术介绍
氟化石墨烯作为石墨烯的一种衍生物,是石墨烯氟化或部分氟化的产物,它结合了石墨烯和氟化石墨的性能优点,例如高强度、高杨氏模量、比表面积大、优异的润滑性、疏水性和抗磨损性以及带隙宽等特性。不同尺寸、层数、氟化度和官能团的氟化石墨烯,在光学、电学、热学和界面等方面表现出不同的特性,因而可广泛应用于固体润滑材料、防污防腐蚀材料、锂氟化碳电池正极材料、超疏水材料和耐磨材料等领域,并在纳米电子器件、光电子器件等领域具有潜在的应用价值。但是受限于石墨烯的质量、产能和稳定以及未能匹配合适的氟化工艺,目前国内尚未有能够规模化、稳定可控生产氟化石墨烯的企业。目前制备氟化石墨烯主要有四种技术路线:一是采用强氟化试剂如氟气、二氟化氙与石墨烯或还原石墨烯直接反应。这种方法快速有效,但原料成本高、反应设备要求苛刻。二是采用氟化氢和浓硝酸与氧化石墨烯,高温高压条件下进行水热反应。这种方法可以制备出少层高质量氟化石墨烯,但物料在高温下静止不动,传质不充分,有利于石墨烯的自组装和聚集,不利于化学试剂与氧化石墨烯的反应,很难制备出含氟较为均匀的氟化石墨烯。三是对氟化石墨进行机械剥离或化学剥离,这种方法虽然降低了成本,由于氟化石墨极化率低,液体介质很难插层剥离,难于获得较高产率的少层氟化石墨烯;而通过强氧化剂如熔融KOH或NaOH对氟化石墨预氧化改性,可以制备出单层氟化石墨烯,但氟化石墨烯容易脱氟,导致氟化度受限。四是采用超临界CO2作为剥离剂,各种醇类、表面活性剂为分散剂可制备氟化石墨烯,这种方法绿色环保、简单安全,但产率较低、氟化度低且含有分散剂不利于产品的应用发展。因此,如何安全、稳定、可控并规模化制备出一种氟化石墨烯,尤其是一种高质量高氟化度的氟化石墨烯成为目前的技术难点。有鉴于此,特提出本专利技术。
技术实现思路
本专利技术的第一目的在于提供一种氟化石墨烯的制备方法,该制备方法用F2与惰性气体的混合气体对还原氧化石墨烯氟化改性,提高了工艺的安全性、稳定性和可控性,并有效降低高纯F2对氟化设备的腐蚀,解决了目前工艺成本高以及氟化品质低的问题。本专利技术的第二目的在于提供一种氟化石墨烯,其具有褶皱类球形结构,球形尺寸为0.5~10μm,氟碳比(氟化度)可达0.5~1.2:1,比表面积可达350~520m2/g,并在有机溶剂、润滑油脂和树脂基体中具有良好的分散性,可应用于锂氟化碳电池正极材料、润滑材料、疏水材料以及耐磨材料等领域。为了实现以上目的,本专利技术提供了以下技术方案:一种氟化石墨烯的制备方法,包括下列步骤:使还原氧化石墨烯与氟化剂在280~550℃下发生氟化反应;所述氟化剂为F2与惰性气体的混合气体,混合气体中氟体积浓度为1~10%,优选3~10%,优选3~8%,优选3~5%;所述惰性气体优选N2或Ar2。与现有技术相比,本专利技术达到了以下技术效果:(1)本专利技术制备方法优选片层结构较好的低缺陷氧化石墨烯为原料,通过控制还原工艺条件可得到褶皱类球形结构的还原石墨烯,该还原石墨烯具有较高的活性,从而提高石墨烯与氟化剂的反应效率,降低氟化反应温度。(2)本专利技术制备方法采用本
较为成熟的氟化工艺,并结合还原石墨烯材料特性优选F2/惰性气体混合气体为氟化试剂,提高了工艺的安全性、稳定性和可控性,并有效降低高纯F2对氟化设备的腐蚀。另外,采用F2与N2或Ar2的混合气体为氟化剂,需在特定的温度下与还原氧化石墨烯反应才能获得一定的氟化程度、氟化结构以及比表面积等性能。同时,在280~550℃范围内控制合理的温度和反应时间,可以调节氟化程度、氟化结构以及比表面积等性能,例如280℃、300℃、320℃、350℃、380℃、400℃、420℃、450℃、480℃、500℃、550℃等。其中,混合气体中F2的含量对氟化结果也有重要影响,经考察在1~10%均能获得较好的氟化度和比表面积,可在此范围内选择任意的比例,例如1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%、9%、10%等。由于氧化石墨烯中含有结合水和氧,高温下与F2反应时存在爆炸的安全隐患;而物理法制备的石墨烯片层较厚且活性较低,无法高效率得到高氟含量高品质的氟化石墨烯。因此,本专利技术选择还原氧化石墨烯与此氟化工艺进行匹配,实现规模化生产。原则上,任意类型的还原氧化石墨烯均适用于F2与惰性气体的氟化剂以及280~550℃的氟化温度,包括市售以及自制的。然而由于氧化石墨烯的结构缺陷和氧化程度以及还原氧化石墨烯的结构和还原程度不同,使得反应原料表面的物化活性不同,进而导致最终材料的氟化效率、氟化程度、氟化结构以及比表面积等性能不同。为了获得较优异的氟化程度、氟化结构以及比表面积等,本专利技术筛选出较佳的氧化石墨烯类型以及还原氧化石墨烯的类型,以及还原过程,以及预处理、氟化等工艺条件,具体如下。优选地,所述氟化反应的温度是:以5~15℃/min的升温速率,升温至280~550℃,然后保温3~50小时。若升温速率过快,则氟化反应不充分,降低了石墨烯品质;若升温速率过慢,则氟化时间过长,增加了不必要的氟化成本。经考察以5~15℃/min的升温速率为佳,例如5℃/min、8℃/min、10℃/min、12℃/min、15℃/min等。更优选地,所述氟化反应时升温速率为10~15℃/min,升温后的终点温度优选350~450℃。优选地,所述还原氧化石墨烯为低缺陷氧化石墨烯粉体经还原工艺制得,所述低缺陷氧化石墨烯粉体为LDGO2211粉体、LDGO2111粉体、LDGO2311粉体中的一种或多种。以上低缺陷氧化石墨烯粉体的型号均指昂星新型碳材料常州有限公司生产。或者直接采用以下结构的还原氧化石墨烯:优选地,所述还原氧化石墨烯为褶皱类球形结构,片径尺寸为0.05~20μm,层数为3~5层;碳含量优选为75~95wt.%,氧含量优选为3~20wt.%,灰分小于1wt.%。该结构的还原氧化石墨烯具有较高的活性,从而提高石墨烯与氟化剂的反应效率,降低氟化反应温度和反应时间。优选地,所述还原工艺为:0.1Mpa真空条件下,以5~15℃/min的升温速率升温至200~1200℃,并保温反应2~20小时;更优选地,所述还原工艺为:0.1Mpa真空条件下,以10~15℃/min的升温速率升温至500~800℃,并保温反应2~20小时。在将还原氧化石墨烯氟化之前,通过真空除杂去除不利于氟化的杂质,具体如下。优选地,所述还原氧化石墨烯在氟化之前还包括真空除杂:真空度0.1Mpa以下条件下,以5~15℃/min的升温速率升温至100~250℃,并保温0.5~5小时;更优选地,所述真空除杂的过程为:真空度0.1Mpa以下条件下,以10~15℃/min的升温速率升温至100~200℃,并保温0.5~5小时。综上,与现有技术相比,本专利技术达到了以下技术效果:(1)本专利技术采用F2/惰性气体的混合气体对还原氧化石墨烯氟化改性,提高了工艺的安全性、稳定性和可控性,并有效降低高纯F2对氟化设备的腐蚀;(2)本专利技术通过考察还原氧化石墨烯的特性对氟化结果的影响,发现以褶皱类球形结构的还原氧化石墨烯为原料时,能获得较好的氟化效果,因此筛选出了本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种氟化石墨烯的制备方法,其特征在于,包括下列步骤:使还原氧化石墨烯与氟化剂在280~550℃下发生氟化反应;所述氟化剂为F2与惰性气体的混合气体,混合气体中氟体积浓度为1~10%,优选3~10%,优选3~8%,优选3~5%;所述惰性气体优选N2或Ar2。

【技术特征摘要】
1.一种氟化石墨烯的制备方法,其特征在于,包括下列步骤:使还原氧化石墨烯与氟化剂在280~550℃下发生氟化反应;所述氟化剂为F2与惰性气体的混合气体,混合气体中氟体积浓度为1~10%,优选3~10%,优选3~8%,优选3~5%;所述惰性气体优选N2或Ar2。2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述氟化反应的温度是:以5~15℃/min的升温速率,升温至280~550℃,然后保温3~50小时。3.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述氟化反应时升温速率为10~15℃/min,升温后的终点温度优选350~450℃。4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述还原氧化石墨烯为低缺陷氧化石墨烯粉体经还原工艺制得,所述低缺陷氧化石墨烯粉体为LDGO2211粉体、LDGO2111粉体和LDGO2311粉体中的一种或多种。5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述还原氧化石墨烯为褶皱类球形结构,片径尺寸为0.05~20μm,层数为3~5层;碳含量优选为75~95wt.%,氧含量优选为3~20wt.%,灰分小于...

【专利技术属性】
技术研发人员:杜军郭春艳陈武峰梁华王锋丁瑜覃彩芹
申请(专利权)人:湖北工程学院
类型:发明
国别省市:湖北,42

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