[发明专利]一种催化法制备高纯氟化石墨的方法

说明书

本发明公开了一种催化法制备高纯氟化石墨的方法，包括以下步骤：预处理、氟化反应、尾气处理、产品收集、氟化石墨提纯、催化剂回收。本发明通过添加金属氟化物作为催化剂，使得石墨与氟气反应的活化能降低，从而大大降低了反应温度。本发明反应温度低，生产成本低，工艺简单且安全性高，制备的高纯氟化石墨中氟含量可以通过调整反应温度、压力和时间来灵活调变，实现了氟化石墨的大规模工业化生产。金属氟化物催化剂难溶于水，可以通过水沉法与氟化石墨分离，实现催化剂回收利用，大大降低了生产成本。

技术领域

本发明属于一种氟化石墨的制备方法，具体涉及一种催化法制备高纯氟化石墨的方法。

背景技术

氟化石墨是一种高性能、高效益、高科技的功能型碳基材料。此材料本身具有很多独特的物理化学性质，使其在多种领域大显身手。由于氟化石墨层间作用力极低，且热稳定性强，因此具有良好的润滑性能，可作为高端固体润滑剂；其表面能非常低，憎水性极强，因此可以用来做防水防污涂料；而采用氟化石墨为正极材料锂离子一次电池，电容量可达到普通锌锰电池的6~12倍。得益于其优异的性能，氟化石墨一直是全世界学者们研究的热点。但是其合成技术门槛较高，全世界仅有美国、日本和俄罗斯实现了氟化石墨的大规模工业化生产。目前行业普遍的合成方法主要有高温法、低温法、电解法和等离子体法等。其中电解法和等离子体法涉及到工艺、安全、能耗和成本等问题，短时间内不可能实现大规模工业化生产。因此目前工业上主要走高温法和低温法两种技术路线，但是两种方法各有利弊。其中高温法是用原料石墨与一定浓度的氟气在高温下直接反应，反应温度一般在500~600℃之间。由于反应温度较高，此路线对反应容器的要求比较苛刻。而且由于氟化石墨在超过500℃时就会开始发生分解，而温度达到560℃时就会迅速分解，释放出大量气体。如若反应条件控制不够精确，很容易发生爆炸，造成安全事故。低温法是采用可挥发性卤化物作为插层剂插入石墨层间，再用氟气将插层剂置换出来。此路线需要的反应温度较低，只需要300℃左右即可完成氟化。但是此方法需要额外增加插层工艺以及插层剂回收工艺，一方面增加了生产成本，另一方面插层剂遇水会生成强酸，很容易对设备造成腐蚀甚至对人身安全造成伤害。

发明内容

本发明为解决现有技术存在的问题而提出，其目的是提供一种催化法制备高纯氟化石墨的方法。

本发明的技术方案是：一种催化法制备高纯氟化石墨的方法，包括以下步骤：

（ⅰ）预处理

将质量比例为1:0.2~1:2的原料石墨与催化剂即金属氟化物混合均匀后放入反应器中，将反应器密封并加压试漏，在流动惰性气体环境下将反应器升温至100~150℃并恒温1~4h，去除原料石墨和金属氟化物中的吸附水及其它挥发性杂质；

（ⅱ）氟化反应

向反应器中通入气体百分比为10~100%的氟气，并调整反应器的温度为300~500℃，压力为0~1.0MPa，反应时间为6~24h，原料石墨与氟气氟化反应生成氟化石墨；

（ⅲ）尾气处理

反应器停止加热后，向反应炉中通入氮气进行气体置换，尾气中的过量氟气由木炭转化，尾气中的氟化氢等酸性气体由碱石灰吸收；

（ⅳ）产品收集

将步骤（ⅲ）中反应器内的产物置于离子水中快速搅拌、静置沉淀，产物中的氟化石墨浮于水面，金属氟化物沉于水底，收集水面上的氟化石墨；

（ⅴ）氟化石墨提纯

将步骤（ⅳ）中收集的氟化石墨分散在质量浓度为10～40 %的氢氟酸溶液中洗涤6~12h并过滤，然后用去离子水进行多次洗涤、过滤、烘干最终得到含氟量为40～64 %，纯度99.95%以上的高纯氟化石墨；

（ⅵ）催化剂回收

将步骤（ⅳ）中沉淀的金属氟化物洗涤、过滤和烘干，回收再利用。