[发明专利]一种采用三氟化氮为氟源制备高纯氟化石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明属于一种氟化石墨的制备方法，具体涉及一种采用三氟化氮为氟源制备高纯氟化石墨烯的方法。

背景技术

氟化石墨烯可认为是石墨烯部分氟化或全部氟化的产物。未完全氟化的氟化石墨烯同时具有石墨烯本身的sp²杂化结构及本身的sp³杂化结构而完全氟化的氟化石墨烯只具有sp³杂化结构。作为石墨烯材料的新型衍生物，氟化石墨烯除了具有石墨烯的二维结构和比表面积大等结构特点，还具有表面能极低，疏水性强及带隙宽等独特的特性。此外，氟化石墨烯还具有优良的润滑性，化学稳定性和热稳定性等优点，可广泛用于固体润滑、防污防腐蚀涂料等行业，并且在纳米电子器件、光电子器件等领域具有极大的潜在应用价值。但是受限于石墨烯的产能及氟化工艺的苛刻，目前世界范围内尚未有大规模生产。目前制备氟化石墨烯有两种技术路线，一是先制备氟化石墨，然后采用超声分离的方法将氟化石墨的片层剥离制备氟化石墨烯。此方法生产的氟化石墨烯片层小，氟含量不均匀且热稳定性差。二是先制备石墨烯，然后用氟化剂将石墨烯直接氟化。但现有的用氟化剂将石墨烯直接氟化的方法，一般采用氟气作为氟源，但是氟气属于危险化学品，具有剧毒和强腐蚀性，生产和运输都很困难，对设备及管线的腐蚀也非常严重，限制了氟化石墨烯的大规模生产。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中存在的缺点而提出的，其目的是提供一种采用三氟化氮为氟源制备高纯氟化石墨烯的方法。

本发明的技术方案是：

一种采用三氟化氮为氟源制备高纯氟化石墨烯的方法，包括以下步骤：

（ⅰ）预处理

将石墨烯放入反应炉中，将反应炉密封并加压试漏，在流动惰性气体环境下将反应炉升温至100℃~150℃并恒温1h~4h；

（ⅱ）氟化反应

向反应炉中通入高纯三氟化氮气体，调整反应炉的温度为350℃~550℃，压力为0.1MPa~1.0MPa，反应时间为12h~48h；

（ⅲ）产品收集

反应炉停止加热后，向反应炉中通入惰性气体进行气体置换，将反应炉内的产物置于去离子水中快速搅拌，然后静置沉淀，收集水面上的氟化石墨烯；

（ⅳ）氟化石墨烯提纯

将步骤（ⅲ）中收集的氟化石墨烯分散在氢氟酸溶液中洗涤6h~12h，过滤，然后用去离子水进行多次洗涤、过滤，所得产物超声分散在适量挥发性溶剂中调成浆状，冷冻干燥，即得高纯氟化石墨烯；

（ⅴ）尾气处理

由反应炉排出的尾气由尾气处理系统处理后排出。

所述氢氟酸溶液的质量浓度为10%～40%。

所述挥发性溶剂为高纯去离子水、甲醇、乙醇、丙酮等可完全汽化的液体的任意一种。

所述高纯氟化石墨烯的含氟量最高可达64%，纯度为99.95%以上。

所述尾气处理系统包括木炭和碱石灰。

本发明的有益效果是：

本发明采用三氟化氮气体代替氟气作为氟源生产氟化石墨烯。三氟化氮性质稳定，常温下无腐蚀性且毒性较弱，但是在350℃以上的高温下可分解出自由氟原子，从而表现出与氟气相似的性质。本发明有效缓解了氟气对反应设备及管线的腐蚀现象，工艺简单且安全性高，制备的高纯氟化石墨烯中氟含量可以通过调整反应温度、压力和时间来灵活调变，有利于氟化石墨烯的放大生产，制得的氟化石墨烯片层大，层数少，氟含量高且产品质量均匀，具有非常高的应用前景。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明一种采用三氟化氮为氟源制备高纯氟化石墨烯的方法进行详细说明：

一种采用三氟化氮为氟源制备高纯氟化石墨烯的方法，其特征在于：包括以下步骤：

（ⅰ）预处理

将石墨烯或放入反应炉中，将反应炉密封并加压试漏，在流动惰性气体环境下将反应炉升温至100℃~150℃并恒温1~4h，去除原料石墨烯中的吸附水及其它挥发性杂质；

步骤（ⅰ）中的原料石墨烯为通过Hummers法制备的石墨烯，外观为粉末状，纯度99.5%以上。

（ⅱ）氟化反应

向反应炉中通入高纯三氟化氮气体，调整反应炉的温度为350℃~550℃，压力为0.1MPa~1.0MPa，反应时间为12h~48h，三氟化氮在高温下会解离出自由氟原子，与原料石墨烯反应生成氟化石墨烯；

步骤（ⅱ）中的三氟化氮，可提前预热至反应温度，能够提高反应效率，缩短反应时间，也可不预热，通过延长反应时间可达到同样的反应效果。