利用电弧放电法制备氟化石墨烯的方法
【专利摘要】本发明公开了一种利用电弧放电法制备氟化石墨烯的方法。氟化石墨烯的制备使用电弧放电设备，将石墨棒钻孔装入氟化石墨，压实，在放电腔体内通入氢气和氦气的缓冲气体，在水冷系统中进行电弧放电，放电完毕后等腔体完全冷却再收集样品，先收集底部样品，并清理干净，然后再收集顶部和腔体周围样品。氟化石墨烯尺寸大基本都大于1微米，产品纯度高。
【专利说明】利用电弧放电法制备氟化石墨烯的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种氟化石墨稀的制备技术，具体为利用电弧放电技术制备氟化石墨稀的方法，适用于氟化石墨稀的宏量制备。
【背景技术】
[0002]氟化石墨烯是一种全新的物质，目前文献报道很少。由于它既集中了石墨烯和氟化石墨在性能上的一些优点，加之氟元素的引入有望在更多的领域得到应用。氟化石墨稀是一种高强度和大的杨氏模量，化学性质，热稳定性和绝缘性都良好，并且抗磨损性优异的新型二维材料。其中，由于氟化石墨稀表面为化学键(一F)组成的重叠结构，不但表面能小层间距大，而且化学和热稳定性好，在各种苛刻条件下，其润滑性能也不下降，特别是在高温、高压及高载荷条件下，仍然保持良好的润滑性能，可做为固体润滑剂。美国、日本等国研究证明，氟化石墨最适合作高能电池阳极材料，含氟量高则有利于减少阳极体积，使电池小型化。氟化石墨烯是少层的石墨结构可使更多的氟与石墨碳键合从而提高氟含量，减小电池体积。由于氟化石墨稀具有宽的带隙，使其与其他石墨烯的衍生物，如氧化石墨烯和氢化石墨烯在电学和光学性质有本质的区别，其透光性增加，制成的薄膜几乎是半透明状的；在电子学方面，这种材料的绝缘性和它母体材料的金属性互补，可用于原子厚度绝缘体或隧道结。
[0003]目前制备氟化石墨烯的方法有石墨烯氟化和微机械剥离氟化石墨这两种。前一种是将制备出来的石墨烯在严格控制湿度和压力的密闭环境中通入F2或XeF2来实现，由于这种方法对反应环境和设备要求都好高，反应不易控制很难实现工业化；而第二种方法制备出来的石墨烯层数较多，性质与部分还原的氟化石墨烯类似，想要得到层数较少可控的氟化石墨烯在工艺上很难实现。目前在氟化石墨烯制备和性能方面的研究还不多，由于其在很多领域的潜在应用使其成为研究的热点之一，但制备技术作为研究的基础，寻找简便、经济、有效的制备方法是关键。
[0004]在过去的十几年里，利用电弧放电方法已经制备出了富勒烯、碳纳米管、硅纳米管，金属纳米粉体等材料。最近几年，又成功制备出了石墨烯这种新型二维碳纳米材料。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种容易操作的制备大尺寸氟化石墨烯的新法，用该方法制备的氟化石墨烯具有纯度高，尺寸大，层数较少等特点。
[0006]本发明的技术方案是:
氟化石墨烯的制备使用电弧放电设备，将石墨棒钻孔装入氟化石墨，压实，在放电腔体内通入氢气和氦气的缓冲气体，在水冷系统中进行电弧放电，放电完毕后等腔体完全冷却再收集样品，先收集底部样品，并清理干净，然后再收集顶部和腔体周围样品。
[0007]一种利用电弧放电法制备氟化石墨烯的方法，使用电弧放电设备制备，其特征在于具体步骤为: A、电极材料:将石墨棒利用电钻钻一个孔洞，然后将氟化石墨粉装入孔洞中并压实作为阳极复合电极材料，阴极电极材料也是高纯石墨棒；
B、缓冲气体:先将腔体抽成真空,然后通入氢气和氦气的混合气体；
C、电弧放电:打开水冷却系统，开启电弧设备预热；检查腔体气密性及电极石墨棒，确定无误后引弧；调节电流至要求值，调节阴极杆保持阴极棒和阳极棒之间为一个相对恒定的距离；
D、样品收集:反应完毕后，等腔体完全冷却下来以后，通入大气开始收集沉积在腔体内壁及其周围的烟灰样品。
[0008]本发明中将直径为6?12mm,长约1cm的石墨棒利用电钻钻一个直径为4?8mm,深5^7cm的孔洞，然后将氟化石墨粉装入孔中，压实作为阳极电极材料，阴极电极材料为直径为12?16mm长约1cm的高纯石墨棒。
[0009]本发明中将腔体内真空度抽到1Pa以下，通入总压力为10(Γ800乇氢气和氦气的混合气体，比例为1:1，然后关掉进气阀保持腔体内充入气体状态。
[0010]本发明中将电弧设备开启后预热5min以上，检查石墨棒在抽真空过程中是否移动而未对齐，如果如此要进行调整对齐；放电电流调节到140?200A，放电过程中调节阴极石墨棒和阳极棒之间的距离约为2_，并保持腔体内压力相对稳定。
[0011]本发明中放电结束后，为了使腔体完全冷却，至少水冷15分钟以上，收集样品时先将底部烟灰收集并将底部清理干净，然后收集腔体顶部和周围的烟灰。
[0012]本发明制备的氟化石墨烯通过场发射扫描电镜(FE-SEM)、透射电镜(TEM)和光电子能谱仪(XPS)测试仪等现代分析仪器证实和电弧放电制备的石墨烯相比，氟化石墨烯具有更大的尺寸。
[0013]本发明了利用电弧放电法制备大尺寸氟化石墨烯的方法，这种方法制备出的氟化石墨烯具有石墨层规则，晶型好，缺陷少，纯度高，产率大等特点，而且设备简易，制备周期较化学法短，可望实现大规模制备。
[0014]本发明的特点及有益效果是:
本发明的制备方法与报道的微机械剥离法和将石墨烯氟化的方法相比较，设备和工艺过程简单，实验可控性好，制备成本低，周期短，制备量大。所得氟化石墨烯尺寸大基本都大于I微米，产品纯度高，有望氟化石墨烯更深入广泛的研究提供良好的制备基础。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为氟化石墨烯的高分辨率扫描电镜照片a。
[0016]图2为氟化石墨烯的透射电子显微镜照片b。
【具体实施方式】
[0017]实施例1:
取一根长1cm直径为8mm的高纯石墨棒(纯度99.99%)装在台钳上利用电钻钻深为5cm直径约为4_的孔洞,称取2g左右氟化石墨装进孔洞中并用石墨棒将其压实，制作好的石墨棒作为阳极复合电极材料。阴极电极材料是直径为12mm,长约1cm的高纯石墨棒。将腔体抽真空至0.0lkPa，先充入100乇氦气，再充入100乇氢气关掉进气阀保持充气状态。开启水冷却系统和电弧设备并预热5min，检查腔体气密性和阴阳石墨棒电极是否对齐，一切正常后引弧，将放电电流调至140A并调节阴阳极石墨棒之间的距离约为2mm，保持腔体内压力相对稳定。腔体内压力从初始的26.8kPa最高上升至32.5kPa，基本保持在29.0kPa左右，放电持续3min，中间无暂停。放电结束后冷却30min，通大气收集样品，先收集沉积在腔体的烟灰，并清理干净，然后再将周围和顶部的烟灰扫下来并收集，最终得到氟化石墨烯样品。
[0018]实施例2:
取一根长1cm直径为1mm的高纯石墨棒(纯度99.99%)装在台钳上利用电钻钻深为6cm直径约为6_的孔洞，称取3.5g左右氟化石墨装进孔洞中并用石墨棒将其压实,制作好的石墨棒作为阳极复合电极材料。阴极电极材料是直径为14mm,长约1cm的高纯石墨棒。将腔体抽真空至0.0lkPa，先充入200乇氦气，再充入200乇氢气关掉进气阀保持充气状态。开启水冷却系统和电弧设备并预热5min，检查腔体气密性和阴阳石墨棒电极是否对齐，一切正常后引弧，将放电电流调至18(Γ200Α并调节阴阳极石墨棒之间的距离约为2mm，保持腔体内压力相对稳定。腔体内压力从初始的54.2kPa最高上升至70.5Pa，基本保持在65.8kPa左右，放电持续3min，中间无暂停。放电结束后冷却30min，通大气收集样品，先收集沉积在腔体的烟灰，并清理干净，然后再将周围和顶部的烟灰扫下来并收集，最终得到氟化石墨稀样品。
[0019]实施例3:
取一根长1cm直径为1mm的高纯石墨棒(纯度99.99%)装在台钳上利用电钻钻深为6.5cm直径约为6mm的孔洞,称取4g左右氟化石墨装进孔洞中并用石墨棒将其压实,制作好的石墨棒作为阳极复合电极材料。阴极电极材料是直径为14_，长约1cm的高纯石墨棒。将腔体抽真空至0.0lkPa，先充入50乇氦气，再充入50乇氢气关掉进气阀保持充气状态。开启水冷却系统和电弧设备并预热5min，检查腔体气密性和阴阳石墨棒电极是否对齐，一切正常后引弧，将放电电流调至20(Γ220Α并调节阴阳极石墨棒之间的距离约为2mm，保持腔体内压力相对稳定。腔体内压力从初始的14.2kPa最高上升至19.6Pa，基本保持在18.0kPa左右，放电持续4min，中间无暂停。放电结束后冷却30min，通大气收集样品，先收集沉积在腔体的烟灰，并清理干净，然后再将周围和顶部的烟灰扫下来并收集，最终得到氟化石墨稀样品。
[0020]利用电弧放电法制备的氟化石墨烯通过FE-SEM和TEM，XPS测试表明氟化石墨烯的层数为51层，尺寸大小为f5ym，与该方法制备的石墨烯相比尺寸大很大，进一步证明了氟化石墨烯的存在；通过XPS测试得知F元素含量为10At%的氟化石墨烯。
[0021]如图1、2所示，通过该方法制备的氟化石墨烯，尺寸大，层数较少。具有较好的结构形貌。
【权利要求】
1.一种利用电弧放电法制备氟化石墨烯的方法，使用电弧放电设备制备，其特征在于具体步骤为: A、电极材料:将石墨棒利用电钻钻一个孔洞，然后将氟化石墨粉装入孔洞中并压实作为阳极复合电极材料，阴极电极材料也是高纯石墨棒； B、缓冲气体:先将腔体抽成真空,然后通入氢气和氦气的混合气体； C、电弧放电:打开水冷却系统，开启电弧设备预热；检查腔体气密性及电极石墨棒，确定无误后引弧；调节电流至要求值，调节阴极杆保持阴极棒和阳极棒之间为一个相对恒定的距离； D、样品收集:反应完毕后，等腔体完全冷却下来以后，通入大气开始收集沉积在腔体内壁及其周围的烟灰样品。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将直径为6?12mm，长约1cm的石墨棒利用电钻钻一个直径为rSmm，深5?7cm的孔洞，然后将氟化石墨粉装入孔中，压实作为阳极电极材料，阴极电极材料为直径为12?16mm长约1cm的高纯石墨棒。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将腔体内真空度抽到1Pa以下，通入总压力为10(Γ800乇氢气和氦气的混合气体，比例为1:1，然后关掉进气阀保持腔体内充入气体状态。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将电弧设备开启后预热5min以上；放电电流调节到140?200A，放电过程中调节阴极石墨棒和阳极棒之间的距离约为2mm，并保持腔体内压力相对稳定。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，放电结束后，，至少水冷15分钟以上，收集样品时先将底部烟灰收集并将底部清理干净，然后收集腔体顶部和周围的烟灰。
【文档编号】C01B31/04GK104445154SQ201310416480
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2013年9月13日 优先权日:2013年9月13日
【发明者】阎兴斌, 薛群基, 申保收 申请人:中国科学院兰州化学物理研究所