一種采用三氟化氮為氟源制備高純氟化石墨烯的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于一種氟化石墨的制備方法，具體涉及一種采用三氟化氮為氟源制備高純氟化石墨烯的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氟化石墨烯可認(rèn)為是石墨烯部分氟化或全部氟化的產(chǎn)物。未完全氟化的氟化石墨烯同時(shí)具有石墨烯本身的Sp2雜化結(jié)構(gòu)及本身的Sp3雜化結(jié)構(gòu)而完全氟化的氟化石墨烯只具有SP3雜化結(jié)構(gòu)。作為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維結(jié)構(gòu)和比表面積大等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，還具有表面能極低，疏水性強(qiáng)及帶隙寬等獨(dú)特的特性。此外，氟化石墨烯還具有優(yōu)良的潤滑性，化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于固體潤滑、防污防腐蝕涂料等行業(yè)，并且在納米電子器件、光電子器件等領(lǐng)域具有極大的潛在應(yīng)用價(jià)值。但是受限于石墨烯的產(chǎn)能及氟化工藝的苛刻，目前世界范圍內(nèi)尚未有大規(guī)模生產(chǎn)。目前制備氟化石墨烯有兩種技術(shù)路線，一是先制備氟化石墨，然后采用超聲分離的方法將氟化石墨的片層剝離制備氟化石墨烯。此方法生產(chǎn)的氟化石墨烯片層小，氟含量不均勻且熱穩(wěn)定性差。二是先制備石墨烯，然后用氟化劑將石墨烯直接氟化。但現(xiàn)有的用氟化劑將石墨烯直接氟化的方法，一般采用氟氣作為氟源，但是氟氣屬于危險(xiǎn)化學(xué)品，具有劇毒和強(qiáng)腐蝕性，生產(chǎn)和運(yùn)輸都很困難，對設(shè)備及管線的腐蝕也非常嚴(yán)重，限制了氟化石墨烯的大規(guī)模生產(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)而提出的，其目的是提供一種采用三氟化氮為氟源制備高純氟化石墨烯的方法。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
一種采用三氟化氮為氟源制備高純氟化石墨烯的方法，包括以下步驟:
(i)預(yù)處理
將石墨烯放入反應(yīng)爐中，將反應(yīng)爐密封并加壓試漏，在流動(dòng)惰性氣體環(huán)境下將反應(yīng)爐升溫至100°0150°C并恒溫I h -4h；
(? )氟化反應(yīng)
向反應(yīng)爐中通入高純?nèi)獨(dú)怏w，調(diào)整反應(yīng)爐的溫度為350°0550°(:，壓力為0.1MPa?1.0MPa，反應(yīng)時(shí)間為12 h ~48h；
(iii)產(chǎn)品收集
反應(yīng)爐停止加熱后，向反應(yīng)爐中通入惰性氣體進(jìn)行氣體置換，將反應(yīng)爐內(nèi)的產(chǎn)物置于去離子水中快速攪拌，然后靜置沉淀，收集水面上的氟化石墨烯；
(iv )氟化石墨稀提純
將步驟(iii)中收集的氟化石墨烯分散在氫氟酸溶液中洗滌6h~12h，過濾，然后用去離子水進(jìn)行多次洗滌、過濾，所得產(chǎn)物超聲分散在適量揮發(fā)性溶劑中調(diào)成漿狀，冷凍干燥，即得高純氟化石墨烯； (V)尾氣處理
由反應(yīng)爐排出的尾氣由尾氣處理系統(tǒng)處理后排出。
[0005]所述氫氟酸溶液的質(zhì)量濃度為10%?40%。
[0006]所述揮發(fā)性溶劑為高純?nèi)ルx子水、甲醇、乙醇、丙酮等可完全汽化的液體的任意一種。
[0007]所述高純氟化石墨烯的含氟量最高可達(dá)64%，純度為99.95%以上。
[0008]所述尾氣處理系統(tǒng)包括木炭和堿石灰。
[0009]本發(fā)明的有益效果是:
本發(fā)明采用三氟化氮?dú)怏w代替氟氣作為氟源生產(chǎn)氟化石墨烯。三氟化氮性質(zhì)穩(wěn)定，常溫下無腐蝕性且毒性較弱，但是在350°C以上的高溫下可分解出自由氟原子，從而表現(xiàn)出與氟氣相似的性質(zhì)。本發(fā)明有效緩解了氟氣對反應(yīng)設(shè)備及管線的腐蝕現(xiàn)象，工藝簡單且安全性高，制備的高純氟化石墨烯中氟含量可以通過調(diào)整反應(yīng)溫度、壓力和時(shí)間來靈活調(diào)變，有利于氟化石墨烯的放大生產(chǎn)，制得的氟化石墨烯片層大，層數(shù)少，氟含量高且產(chǎn)品質(zhì)量均勻，具有非常高的應(yīng)用前景。
【具體實(shí)施方式】
[0010]下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明一種采用三氟化氮為氟源制備高純氟化石墨烯的方法進(jìn)行詳細(xì)說明:
一種采用三氟化氮為氟源制備高純氟化石墨烯的方法，其特征在于:包括以下步驟: (i)預(yù)處理
將石墨烯或放入反應(yīng)爐中，將反應(yīng)爐密封并加壓試漏，在流動(dòng)惰性氣體環(huán)境下將反應(yīng)爐升溫至100t>15(rc并恒溫I?4h，去除原料石墨烯中的吸附水及其它揮發(fā)性雜質(zhì)；
步驟(i)中的原料石墨稀為通過Hmnmers法制備的石墨稀，外觀為粉末狀，純度99.5%以上。
[0011](??)氟化反應(yīng)向反應(yīng)爐中通入高純?nèi)獨(dú)怏w，調(diào)整反應(yīng)爐的溫度為350°0550°(:，壓力為0.1
MPa?1.0MPa，反應(yīng)時(shí)間為12 h?48h，二氣化風(fēng)在尚溫下會(huì)解尚出自由氣原子，與原料石墨稀反應(yīng)生成氟化石墨稀;
步驟(? )中的三氟化氮，可提前預(yù)熱至反應(yīng)溫度，能夠提高反應(yīng)效率，縮短反應(yīng)時(shí)間，也可不預(yù)熱，通過延長反應(yīng)時(shí)間可達(dá)到同樣的反應(yīng)效果。
[0012](m)產(chǎn)品收集
反應(yīng)爐停止加熱后，向反應(yīng)爐中通入惰性氣體進(jìn)行氣體置換，將反應(yīng)爐內(nèi)的產(chǎn)物置于去離子水中快速攪拌，然后靜置沉淀，產(chǎn)物中的氟化石墨烯浮于水面，可溶性雜質(zhì)溶于水中，非可溶性雜質(zhì)沉于水底，收集水面上的氟化石墨烯；
(iv )氟化石墨稀提純
將步驟(m)中收集的氟化石墨烯分散在質(zhì)量濃度為10%?40%的氫氟酸溶液中洗滌6h~12h并過濾，然后用去離子水進(jìn)行多次洗滌、過濾，然后超聲分散在適量揮發(fā)性溶劑中調(diào)成漿狀，冷凍干燥，最終得到含氟量最高達(dá)到64%，純度99.95%以上的高純氟化石墨烯。
[0013]冷凍干燥，避免氟化石墨烯片層因發(fā)生團(tuán)聚而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)破壞。
[0014](V)尾氣處理
由反應(yīng)爐排出的尾氣由尾氣處理系統(tǒng)處理后排出；
尾氣處理系統(tǒng)包括木炭和堿石灰。
[0015]尾氣中的過量氟氣及自由氟原子由木炭吸收，尾氣中的氟化氫等酸性氣體由堿石灰吸收。
[0016]實(shí)施例1
一種采用三氟化氮為氟源制備高純氟化石墨烯的方法，包括以下步驟:
(i)預(yù)處理
取1g石墨烯放入反應(yīng)爐中，將反應(yīng)爐密封并加壓試漏，在流動(dòng)氮?dú)猸h(huán)境下將反應(yīng)爐升溫至120 °C并恒溫I h;
(? )氟化反應(yīng)
向反應(yīng)爐中通入高純?nèi)獨(dú)怏w，調(diào)整反應(yīng)爐的溫度為350°C，壓力為0.1MPa，反應(yīng)時(shí)間為48h;
(iii)產(chǎn)品收集
反應(yīng)爐停止加熱后，向反應(yīng)爐中通入氮?dú)膺M(jìn)行氣體置換，將反應(yīng)爐內(nèi)的產(chǎn)物置于去離子水中快速攪拌，然后靜置沉淀，收集水面上的氟化石墨烯；
(iv )氟化石墨稀提純
將步驟(m)中收集的氟化石墨烯分散在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的氫氟酸溶液中洗滌I2h，過濾，然后用去離子水進(jìn)行多次洗滌、過濾，所得產(chǎn)物超聲分散在適量揮發(fā)性溶劑中調(diào)成漿狀，冷凍干燥，即得高純氟化石墨烯；所得高純氟化石墨烯產(chǎn)品顏色為灰黑色，純度為99.95%，氟含量為40%。
[0017](V)尾氣處理
由反應(yīng)爐排出的尾氣由尾氣處理系統(tǒng)處理后排出。
[0018]實(shí)施例2
一種采用三氟化氮為氟源制備高純氟化石墨烯的方法，包括以下步驟:
(i)預(yù)處理
取20g石墨烯放入反應(yīng)爐中，將反應(yīng)爐密封并加