利用電弧放電法制備氟化石墨烯的方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種利用電弧放電法制備氟化石墨烯的方法。氟化石墨烯的制備使用電弧放電設(shè)備，將石墨棒鉆孔裝入氟化石墨，壓實(shí)，在放電腔體內(nèi)通入氫氣和氦氣的緩沖氣體，在水冷系統(tǒng)中進(jìn)行電弧放電，放電完畢后等腔體完全冷卻再收集樣品，先收集底部樣品，并清理干凈，然后再收集頂部和腔體周?chē)鷺悠?。氟化石墨烯尺寸大基本都大?微米，產(chǎn)品純度高。
【專(zhuān)利說(shuō)明】利用電弧放電法制備氟化石墨烯的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種氟化石墨稀的制備技術(shù)，具體為利用電弧放電技術(shù)制備氟化石墨稀的方法，適用于氟化石墨稀的宏量制備。
【背景技術(shù)】
[0002]氟化石墨烯是一種全新的物質(zhì)，目前文獻(xiàn)報(bào)道很少。由于它既集中了石墨烯和氟化石墨在性能上的一些優(yōu)點(diǎn)，加之氟元素的引入有望在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。氟化石墨稀是一種高強(qiáng)度和大的楊氏模量，化學(xué)性質(zhì)，熱穩(wěn)定性和絕緣性都良好，并且抗磨損性?xún)?yōu)異的新型二維材料。其中，由于氟化石墨稀表面為化學(xué)鍵(一F)組成的重疊結(jié)構(gòu)，不但表面能小層間距大，而且化學(xué)和熱穩(wěn)定性好，在各種苛刻條件下，其潤(rùn)滑性能也不下降，特別是在高溫、高壓及高載荷條件下，仍然保持良好的潤(rùn)滑性能，可做為固體潤(rùn)滑劑。美國(guó)、日本等國(guó)研究證明，氟化石墨最適合作高能電池陽(yáng)極材料，含氟量高則有利于減少陽(yáng)極體積，使電池小型化。氟化石墨烯是少層的石墨結(jié)構(gòu)可使更多的氟與石墨碳鍵合從而提高氟含量，減小電池體積。由于氟化石墨稀具有寬的帶隙，使其與其他石墨烯的衍生物，如氧化石墨烯和氫化石墨烯在電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)有本質(zhì)的區(qū)別，其透光性增加，制成的薄膜幾乎是半透明狀的；在電子學(xué)方面，這種材料的絕緣性和它母體材料的金屬性互補(bǔ)，可用于原子厚度絕緣體或隧道結(jié)。
[0003]目前制備氟化石墨烯的方法有石墨烯氟化和微機(jī)械剝離氟化石墨這兩種。前一種是將制備出來(lái)的石墨烯在嚴(yán)格控制濕度和壓力的密閉環(huán)境中通入F2或XeF2來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于這種方法對(duì)反應(yīng)環(huán)境和設(shè)備要求都好高，反應(yīng)不易控制很難實(shí)現(xiàn)工業(yè)化；而第二種方法制備出來(lái)的石墨烯層數(shù)較多，性質(zhì)與部分還原的氟化石墨烯類(lèi)似，想要得到層數(shù)較少可控的氟化石墨烯在工藝上很難實(shí)現(xiàn)。目前在氟化石墨烯制備和性能方面的研究還不多，由于其在很多領(lǐng)域的潛在應(yīng)用使其成為研究的熱點(diǎn)之一，但制備技術(shù)作為研究的基礎(chǔ)，尋找簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)、有效的制備方法是關(guān)鍵。
[0004]在過(guò)去的十幾年里，利用電弧放電方法已經(jīng)制備出了富勒烯、碳納米管、硅納米管，金屬納米粉體等材料。最近幾年，又成功制備出了石墨烯這種新型二維碳納米材料。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種容易操作的制備大尺寸氟化石墨烯的新法，用該方法制備的氟化石墨烯具有純度高，尺寸大，層數(shù)較少等特點(diǎn)。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
氟化石墨烯的制備使用電弧放電設(shè)備，將石墨棒鉆孔裝入氟化石墨，壓實(shí)，在放電腔體內(nèi)通入氫氣和氦氣的緩沖氣體，在水冷系統(tǒng)中進(jìn)行電弧放電，放電完畢后等腔體完全冷卻再收集樣品，先收集底部樣品，并清理干凈，然后再收集頂部和腔體周?chē)鷺悠贰?br>
[0007]一種利用電弧放電法制備氟化石墨烯的方法，使用電弧放電設(shè)備制備，其特征在于具體步驟為: A、電極材料:將石墨棒利用電鉆鉆一個(gè)孔洞，然后將氟化石墨粉裝入孔洞中并壓實(shí)作為陽(yáng)極復(fù)合電極材料，陰極電極材料也是高純石墨棒；
B、緩沖氣體:先將腔體抽成真空,然后通入氫氣和氦氣的混合氣體；
C、電弧放電:打開(kāi)水冷卻系統(tǒng)，開(kāi)啟電弧設(shè)備預(yù)熱；檢查腔體氣密性及電極石墨棒，確定無(wú)誤后引??；調(diào)節(jié)電流至要求值，調(diào)節(jié)陰極桿保持陰極棒和陽(yáng)極棒之間為一個(gè)相對(duì)恒定的距離；
D、樣品收集:反應(yīng)完畢后，等腔體完全冷卻下來(lái)以后，通入大氣開(kāi)始收集沉積在腔體內(nèi)壁及其周?chē)臒熁覙悠贰?br>
[0008]本發(fā)明中將直徑為6?12mm,長(zhǎng)約1cm的石墨棒利用電鉆鉆一個(gè)直徑為4?8mm,深5^7cm的孔洞，然后將氟化石墨粉裝入孔中，壓實(shí)作為陽(yáng)極電極材料，陰極電極材料為直徑為12?16mm長(zhǎng)約1cm的高純石墨棒。
[0009]本發(fā)明中將腔體內(nèi)真空度抽到1Pa以下，通入總壓力為10(Γ800乇氫氣和氦氣的混合氣體，比例為1:1，然后關(guān)掉進(jìn)氣閥保持腔體內(nèi)充入氣體狀態(tài)。
[0010]本發(fā)明中將電弧設(shè)備開(kāi)啟后預(yù)熱5min以上，檢查石墨棒在抽真空過(guò)程中是否移動(dòng)而未對(duì)齊，如果如此要進(jìn)行調(diào)整對(duì)齊；放電電流調(diào)節(jié)到140?200A，放電過(guò)程中調(diào)節(jié)陰極石墨棒和陽(yáng)極棒之間的距離約為2_，并保持腔體內(nèi)壓力相對(duì)穩(wěn)定。
[0011]本發(fā)明中放電結(jié)束后，為了使腔體完全冷卻，至少水冷15分鐘以上，收集樣品時(shí)先將底部煙灰收集并將底部清理干凈，然后收集腔體頂部和周?chē)臒熁摇?br>
[0012]本發(fā)明制備的氟化石墨烯通過(guò)場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)、透射電鏡(TEM)和光電子能譜儀(XPS)測(cè)試儀等現(xiàn)代分析儀器證實(shí)和電弧放電制備的石墨烯相比，氟化石墨烯具有更大的尺寸。
[0013]本發(fā)明了利用電弧放電法制備大尺寸氟化石墨烯的方法，這種方法制備出的氟化石墨烯具有石墨層規(guī)則，晶型好，缺陷少，純度高，產(chǎn)率大等特點(diǎn)，而且設(shè)備簡(jiǎn)易，制備周期較化學(xué)法短，可望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制備。
[0014]本發(fā)明的特點(diǎn)及有益效果是:
本發(fā)明的制備方法與報(bào)道的微機(jī)械剝離法和將石墨烯氟化的方法相比較，設(shè)備和工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)可控性好，制備成本低，周期短，制備量大。所得氟化石墨烯尺寸大基本都大于I微米，產(chǎn)品純度高，有望氟化石墨烯更深入廣泛的研究提供良好的制備基礎(chǔ)。
【專(zhuān)利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1為氟化石墨烯的高分辨率掃描電鏡照片a。
[0016]圖2為氟化石墨烯的透射電子顯微鏡照片b。
【具體實(shí)施方式】
[0017]實(shí)施例1:
取一根長(zhǎng)1cm直徑為8mm的高純石墨棒(純度99.99%)裝在臺(tái)鉗上利用電鉆鉆深為5cm直徑約為4_的孔洞,稱(chēng)取2g左右氟化石墨裝進(jìn)孔洞中并用石墨棒將其壓實(shí)，制作好的石墨棒作為陽(yáng)極復(fù)合電極材料。陰極電極材料是直徑為12mm,長(zhǎng)約1cm的高純石墨棒。將腔體抽真空至0.0lkPa，先充入100乇氦氣，再充入100乇氫氣關(guān)掉進(jìn)氣閥保持充氣狀態(tài)。開(kāi)啟水冷卻系統(tǒng)和電弧設(shè)備并預(yù)熱5min，檢查腔體氣密性和陰陽(yáng)石墨棒電極是否對(duì)齊，一切正常后引弧，將放電電流調(diào)至140A并調(diào)節(jié)陰陽(yáng)極石墨棒之間的距離約為2mm，保持腔體內(nèi)壓力相對(duì)穩(wěn)定。腔體內(nèi)壓力從初始的26.8kPa最高上升至32.5kPa，基本保持在29.0kPa左右，放電持續(xù)3min，中間無(wú)暫停。放電結(jié)束后冷卻30min，通大氣收集樣品，先收集沉積在腔體的煙灰，并清理干凈，然后再將周?chē)晚敳康臒熁覓呦聛?lái)并收集，最終得到氟化石墨烯樣品。
[0018]實(shí)施例2:
取一根長(zhǎng)1cm直徑為1mm的高純石墨棒(純度99.99%)裝在臺(tái)鉗上利用電鉆鉆深為6cm直徑約為6_的孔洞，稱(chēng)取3.5g左右氟化石墨裝進(jìn)孔洞中并用石墨棒將其壓實(shí),制作好的石墨棒作為陽(yáng)極復(fù)合電極材料。陰極電極材料是直徑為14mm,長(zhǎng)約1cm的高純石墨棒。將腔體抽真空至0.0lkPa，先充入200乇氦氣，再充入200乇氫氣關(guān)掉進(jìn)氣閥保持充氣狀態(tài)。開(kāi)啟水冷卻系統(tǒng)和電弧設(shè)備并預(yù)熱5min，檢查腔體氣密性和陰陽(yáng)石墨棒電極是否對(duì)齊，一切正常后引弧，將放電電流調(diào)至18(Γ200Α并調(diào)節(jié)陰陽(yáng)極石墨棒之間的距離約為2mm，保持腔體內(nèi)壓力相對(duì)穩(wěn)定。腔體內(nèi)壓力從初始的54.2kPa最高上升至70.5Pa，基本保持在65.8kPa左右，放電持續(xù)3min，中間無(wú)暫停。放電結(jié)束后冷卻30min，通大氣收集樣品，先收集沉積在腔體的煙灰，并清理干凈，然后再將周?chē)晚敳康臒熁覓呦聛?lái)并收集，最終得到氟化石墨稀樣品。
[0019]實(shí)施例3:
取一根長(zhǎng)1cm直徑為1mm的高純石墨棒(純度99.99%)裝在臺(tái)鉗上利用電鉆鉆深為6.5cm直徑約為6mm的孔洞,稱(chēng)取4g左右氟化石墨裝進(jìn)孔洞中并用石墨棒將其壓實(shí),制作好的石墨棒作為陽(yáng)極復(fù)合電極材料。陰極電極材料是直徑為14_，長(zhǎng)約1cm的高純石墨棒。將腔體抽真空至0.0lkPa，先充入50乇氦氣，再充入50乇氫氣關(guān)掉進(jìn)氣閥保持充氣狀態(tài)。開(kāi)啟水冷卻系統(tǒng)和電弧設(shè)備并預(yù)熱5min，檢查腔體氣密性和陰陽(yáng)石墨棒電極是否對(duì)齊，一切正常后引弧，將放電電流調(diào)至20(Γ220Α并調(diào)節(jié)陰陽(yáng)極石墨棒之間的距離約為2mm，保持腔體內(nèi)壓力相對(duì)穩(wěn)定。腔體內(nèi)壓力從初始的14.2kPa最高上升至19.6Pa，基本保持在18.0kPa左右，放電持續(xù)4min，中間無(wú)暫停。放電結(jié)束后冷卻30min，通大氣收集樣品，先收集沉積在腔體的煙灰，并清理干凈，然后再將周?chē)晚敳康臒熁覓呦聛?lái)并收集，最終得到氟化石墨稀樣品。
[0020]利用電弧放電法制備的氟化石墨烯通過(guò)FE-SEM和TEM，XPS測(cè)試表明氟化石墨烯的層數(shù)為51層，尺寸大小為f5ym，與該方法制備的石墨烯相比尺寸大很大，進(jìn)一步證明了氟化石墨烯的存在；通過(guò)XPS測(cè)試得知F元素含量為10At%的氟化石墨烯。
[0021]如圖1、2所示，通過(guò)該方法制備的氟化石墨烯，尺寸大，層數(shù)較少。具有較好的結(jié)構(gòu)形貌。
【權(quán)利要求】
1.一種利用電弧放電法制備氟化石墨烯的方法，使用電弧放電設(shè)備制備，其特征在于具體步驟為: A、電極材料:將石墨棒利用電鉆鉆一個(gè)孔洞，然后將氟化石墨粉裝入孔洞中并壓實(shí)作為陽(yáng)極復(fù)合電極材料，陰極電極材料也是高純石墨棒； B、緩沖氣體:先將腔體抽成真空,然后通入氫氣和氦氣的混合氣體； C、電弧放電:打開(kāi)水冷卻系統(tǒng)，開(kāi)啟電弧設(shè)備預(yù)熱；檢查腔體氣密性及電極石墨棒，確定無(wú)誤后引??；調(diào)節(jié)電流至要求值，調(diào)節(jié)陰極桿保持陰極棒和陽(yáng)極棒之間為一個(gè)相對(duì)恒定的距離； D、樣品收集:反應(yīng)完畢后，等腔體完全冷卻下來(lái)以后，通入大氣開(kāi)始收集沉積在腔體內(nèi)壁及其周?chē)臒熁覙悠贰?br>
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，將直徑為6?12mm，長(zhǎng)約1cm的石墨棒利用電鉆鉆一個(gè)直徑為rSmm，深5?7cm的孔洞，然后將氟化石墨粉裝入孔中，壓實(shí)作為陽(yáng)極電極材料，陰極電極材料為直徑為12?16mm長(zhǎng)約1cm的高純石墨棒。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，將腔體內(nèi)真空度抽到1Pa以下，通入總壓力為10(Γ800乇氫氣和氦氣的混合氣體，比例為1:1，然后關(guān)掉進(jìn)氣閥保持腔體內(nèi)充入氣體狀態(tài)。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，將電弧設(shè)備開(kāi)啟后預(yù)熱5min以上；放電電流調(diào)節(jié)到140?200A，放電過(guò)程中調(diào)節(jié)陰極石墨棒和陽(yáng)極棒之間的距離約為2mm，并保持腔體內(nèi)壓力相對(duì)穩(wěn)定。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，放電結(jié)束后，，至少水冷15分鐘以上，收集樣品時(shí)先將底部煙灰收集并將底部清理干凈，然后收集腔體頂部和周?chē)臒熁摇?br>
【文檔編號(hào)】C01B31/04GK104445154SQ201310416480
【公開(kāi)日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2013年9月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月13日
【發(fā)明者】閻興斌, 薛群基, 申保收 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所