一種快速高效制備氟含量可調(diào)氟化石墨烯的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種氟化石墨烯的制備技術(shù)，尤其是一種以氟化石墨為原料、快速且高效制備氟化石墨烯的制備技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯是由單層的碳原子組成的一種新型的二維蜂窩狀碳材料，具有優(yōu)異的光、電、熱、力學(xué)性能，在科學(xué)界和工業(yè)界均表現(xiàn)出極具潛力的研究價值和應(yīng)用前景。純凈的石墨烯沒有帶隙，通過化學(xué)修飾不但能打開其帶隙，而且由于新元素的引入將會給石墨烯帶來新的表、界面性能，這將極大地推動石墨烯從實驗室研究進入到實際應(yīng)用階段(參見:K.S.Novoselov, V.1.Falkoj L.Colombo, P.R.Gellertj et a\.Nature 2012，490，192; U.N.Maitij W.J.Lee, J.M Lee, Y.0hj et ah Adv.Mater.2014，26，40)。
[0003]氟化石墨烯是將氟原子鍵合到石墨烯結(jié)構(gòu)中得到的新型石墨烯衍生物。氟原子的引入，不僅使得氟化石墨烯保持了石墨烯的高強度，而且?guī)砹吮砻婺芙档?、疏水性增強及帶隙展寬等新穎的表/界面和物理化學(xué)性能。同時，氟化石墨烯耐高溫、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，表現(xiàn)出類似聚四氟乙烯的性質(zhì)，被稱之為“二維特氟龍”(參見:R.R.Nair, ff.C.Ren, R.Jalilj 1.Riazj et al.Small, 2010， 6， 2877; J.T.Robinson, J.S.Burgess, C.E.Junkermeierj S.C.Badescuj et al.Nano Lett.2010，10，3001)?另外，近期研究還發(fā)現(xiàn)，氟引入到石墨烯中可以促進干細胞的增殖和分化(參見:Y.Wang, W.C.Lee, Κ.K.Manga, P.K.Angj J.L Yanj P.Liuj C.T.Limj K.P.Lohj Adv.Mater.2012，24，4285)。氟化石墨烯上述獨特的性能表明其將在表/界面、新型納米電子器件、生物材料以及潤滑材料等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
[0004]目前常規(guī)合成氟化石墨烯的方法是采用XeF2等氟化劑對利用微機械剝離或者化學(xué)氣相沉積制備的石墨烯進行氟化。但是，昂貴、劇毒性氟化試劑的使用，極大地限制了此法的推廣(參見:J.T.Robinson, J.S.Burgess, C.E.Junkermeier, S.C.Badescu,et al.Nano Lett.2010, 10, 3001 ；S.C.Hernandez, C.J.C.Bennett, C.E.Junkermeier, S.D.Tsoi, et al.ACS Nano 2013, 7, 4746)。此外，液相剝離氟化石墨的方法也被用來制備氟化石墨烯，然而剝離法制備的石墨烯雖然在有機剝離試劑中有良好的分散性，但是難以將單層或者少層的氟化石墨烯在保證質(zhì)量的前提下從剝離試劑中轉(zhuǎn)移出來(參見:R.Zboril, F.Karlicky, A.B.Bourlinos, T.A.Ster1tis, et al.Small 2010, 6, 2885; P.ff.Gong, Z.F.Wang, J.Q.Wang, H.G.Wang, et al.J.Mater.Chem.2012, 22，16950)。以上問題和困難的存在，極大地限制了氟化石墨烯的研究以及應(yīng)用。因此，發(fā)展一種經(jīng)濟、有效而且快速制備氟化石墨烯的方法尤為迫切。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明的目的是提供一種簡單有效的制備氟化石墨烯的方法，以解決目前氟化石墨烯制備中存在的成本昂貴、過程復(fù)雜、使用劇毒氣體等問題。
[0006]本發(fā)明以廉價的氟化石墨為原料，經(jīng)過混合堿處理和超聲后，即可獲得少層的氟化石墨烯。同時，除了氟的含量可以通過調(diào)整反應(yīng)物的用量來調(diào)節(jié)之外，該方法還可以將含氧官能團引入到石墨烯的骨架當(dāng)中，提高了其在水中以及常見有機溶劑中的分散性和穩(wěn)定性。
[0007]一種快速高效制備氟含量可調(diào)氟化石墨烯的方法，其特征在于該方法依次包括堿處理氟化石墨以及超聲處理制備氟化石墨烯兩個步驟；
1)堿處理氟化石墨
將氟化石墨加入到由氫氧化鈉和氫氧化鉀組成的混合堿中，常壓加熱17(T180°C反應(yīng)處理氟化石墨至顏色變黑，得到氟化石墨與堿的混合物；
2)超聲處理制備氟化石墨烯
將步驟I)中制備得到的氟化石墨與堿的混合物，加入溶解量的水溶解之后超聲剝離；靜置分層后，將表層的未反應(yīng)的氟化石墨回收，取上層液體抽濾、洗滌、干燥得到氟化石墨烯。
[0008]在步驟I)中，所述的混合堿中，氫氧化鈉占的質(zhì)量分數(shù)為42?44%。
[0009]在步驟I)中，所述的氟化石墨和混合堿的用量為，每10mg氟化石墨加入160?800mg的混合堿。
[0010]本發(fā)明方法制備的氟化石墨烯，經(jīng)過透射電鏡表征，發(fā)現(xiàn)所制備的氟化石墨烯具有薄的片層和褶皺結(jié)構(gòu)(見圖1)。利用X射線光電子能譜分析，通過調(diào)整反應(yīng)物的用量，可實現(xiàn)對碳、氧、氟元素含量的調(diào)控(見圖2)。
[0011]本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點:
以氟化石墨為原料，成本低廉且不使用毒性的氟化氣體。
[0012]制備過程只需要兩步即可完成，且條件溫和、操作簡便。
[0013]通過調(diào)整反應(yīng)物用量，就可以方便地實現(xiàn)氟化石墨烯中碳、氧和氟元素含量的調(diào)控。
[0014]本發(fā)明對于解決目前氟化石墨烯制備中存在的難題，拓寬該材料在表/界面、新型納米電子器件、生物材料與潤滑材料等領(lǐng)域應(yīng)用，以及推動其由實驗室研究進入實際應(yīng)用具有重要的意義。
【附圖說明】
[0015]圖1為制備的氟化石墨烯的透射電鏡照片。
[0016]圖2為制備的不同碳、氧、氟含量的氟化石墨烯的X射線光電子能譜圖，圖中標(biāo)注了氟化石墨與混合堿在三種配比下，得到的氟化石墨烯中各元素的含量。
【具體實施方式】
[0017]實施例1:氟化石墨烯的制備
將10mg氟化石墨加入到160mg氫氧化鈉與氫氧化鉀的混合堿中(其中氫氧化鈉的質(zhì)量分數(shù)為42%)，常壓170°C加熱反應(yīng)處理氟化石墨至顏色變黑，得到氟化石墨與堿的混合物。將該混合物加入溶解量的水溶解之后超聲剝離。靜置分層后，將表層的未反應(yīng)的氟化石墨回收，取上層液體抽濾、洗滌、干燥得到氟化石墨烯。
[0018]實施例2:氟化石墨烯的制備
將實施例1中的“l(fā)OOmg氟化石墨加入到160mg氫氧化鈉與氫氧化鉀的混合堿中”換成“ 10mg氟化石墨加入到320mg氫氧化鈉與氫氧化鉀的混合堿中”。制備的其他條件同實施例I，得到類似于實施例1的產(chǎn)物。
[0019]實施例3:氟化石墨烯的制備
將實施例1中的“其中氫氧化鈉的質(zhì)量分數(shù)為42%”換成“其中氫氧化鈉的質(zhì)量分數(shù)為43%”。制備的其他條件同實施例1，得到類似于實施例1的產(chǎn)物。
[0020]實施例4:氟化石墨烯的制備
將實施例1中的“常壓170°C加熱反應(yīng)處理氟化石墨至顏色變黑”換成“常壓180°C加熱反應(yīng)處理氟化石墨至顏色變黑”。制備的其他條件同實施例1，得到類似于實施例1的產(chǎn)物。
【主權(quán)項】
1.一種快速高效制備氟含量可調(diào)氟化石墨烯的方法，其特征在于該方法依次包括堿處理氟化石墨以及超聲處理制備氟化石墨烯兩個步驟； 1)堿處理氟化石墨 將氟化石墨加入到由氫氧化鈉和氫氧化鉀組成的混合堿中，常壓加熱17(T180°C反應(yīng)處理氟化石墨至顏色變黑，得到氟化石墨與堿的混合物； 2)超聲處理制備氟化石墨烯 將步驟I)中制備得到的氟化石墨與堿的混合物，加入溶解量的水溶解之后超聲剝離；靜置分層后，將表層的未反應(yīng)的氟化石墨回收，取上層液體抽濾、洗滌、干燥得到氟化石墨烯。2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟I)中，所述的混合堿中，氫氧化鈉占的質(zhì)量分數(shù)為42?44%。3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟I)中，所述的氟化石墨和混合堿的用量為，每10mg氟化石墨加入16(T800mg的混合堿。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種快速高效制備氟含量可調(diào)氟化石墨烯的方法。本發(fā)明以廉價的氟化石墨為原料，經(jīng)過混合堿處理和超聲后，即可獲得少層的氟化石墨烯。本發(fā)明對于解決目前氟化石墨烯制備中存在的難題，拓寬該材料在表/界面、新型納米電子器件、生物材料與潤滑材料等領(lǐng)域應(yīng)用，以及推動其由實驗室研究進入實際應(yīng)用具有重要的意義。
【IPC分類】C01B31/00
【公開號】CN104944402
【申請?zhí)枴緾N201410110287
【發(fā)明人】王金清, 公培偉, 楊生榮
【申請人】中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所
【公開日】2015年9月30日
【申請日】2014年3月24日