一种利用氟化石墨制备掺氮氟化石墨烯的方法与流程

本发明属于新材料领域，具体地说是一种利用氟化石墨制备掺氮氟化石墨烯的方法。

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背景技术：
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随着石墨烯的出现，二维材料(石墨烯、氟化石墨烯、氧化石墨烯等)已成为近年来的研究热点。其中，氟化石墨烯是石墨烯的一种新型衍生物，既保持了石墨烯高强度的性能，氟化石墨烯还具有耐高温、耐腐蚀性、耐摩擦性、化学性质稳定和优异的润滑性，但是因氟原子的存在其表面双憎特性尤为明显，这使其在与其他材料复合的过程中存在对溶剂及材料界面的兼容性低，弱化了复合材料的性能。因此，若能对氟化石墨烯进行适当改性，使其表面具有一定的亲水性，对拓宽其应用范围及应用效果，将具有非常重要的意义。

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技术实现要素：
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本发明的目的就是要解决上述的不足而提供一种利用氟化石墨制备掺氮氟化石墨烯的方法，制备工艺相对简单，易于操作和控制，可实现规模化生产，制备得到的掺氮氟化石墨烯品质好，疏水性得到一定的改善，且反应条件温和，反应时间短，合成设备简单，能耗较低对环境无污染。

为实现上述目的设计一种利用氟化石墨制备掺氮氟化石墨烯的方法，包括以下步骤：1)将原料氟化石墨粉和添加剂按比例称量后加入研磨器具内，氟化石墨粉与添加剂质量比为1:2-1:1，向研磨器具里加入玛瑙珠帮助研磨，搅拌均匀；2)将步骤1)所得混合物放置于球磨机内研磨15-30个小时，球磨频率为540-600转/分钟；3)球磨结束后，将上述所得的含少量杂质的掺入氮元素的氟化石墨烯超声分散于去离子水中，得到水系混合悬浊液；4)将上述超声后的水系混合悬浊液装入离心管离心，收取上层掺入氮元素的氟化石墨烯稳定悬浊液，弃去沉淀物；5)经抽滤除去上述掺入氮元素的氟化石墨烯稳定悬浊液中的水分，干燥即得掺入氮元素的氟化石墨烯。

进一步地，步骤1)中，所述研磨器具材质为玛瑙、陶瓷、玻璃、不锈钢或聚四氟乙烯。

进一步地，步骤1)中，所述添加剂为铵盐，优选为碳酸铵或氟化铵。

本发明同现有技术相比，其原料便宜易于大量获取，制备工艺相对简单，易于操作和控制，可实现规模化生产，制备得到的掺氮氟化石墨烯品质好，疏水性得到一定的改善，且反应条件温和，反应时间短，合成设备简单，能耗较低，对环境无污染；本发明能够提供与有机溶剂及水溶剂兼容性良好的掺氮氟化石墨烯产品，其工艺路线简单，成本低，且得到的产物是掺氮氟化石墨烯，品质较好，各方面性能优良，疏水性得到弱化，能够提供与其他物种的兼容性，在润滑油、涂料、功能复合材料设计以及电池等领域有望得到应用。

[附图说明]

图1是本发明实施例1得到的掺氮氟化石墨烯的扫描电子显微镜图；

图2是本发明实施例1得到的掺氮氟化石墨烯的xps图；

图3是本发明实施例3得到的产品的扫描电子显微镜图；

图4是本发明实施例3得到的产品的xps；

图5是本发明实施例4得到的掺氮氟化石墨烯的扫描电子显微镜图；

图6是本发明氟化石墨原料、比较例1、实施例1、2、3、4所得产品在水中的分散效果图。

[具体实施方式]

本发明提供了一种氟化石墨为原料制备掺氮氟化石墨烯的方法，所用的原料氟化石墨，将含氨基的物质与氟化石墨一起在机械能的作用下实现石墨片的剥离及表面改性，得到具有一定亲水能力的掺氮氟化石墨烯产品。

其具体步骤为：将原料氟化石墨粉与添加剂按质量比为1:2-1:1的比例称量后加入研磨器具里，如玛瑙灌，加入玛瑙珠帮助研磨，搅拌均匀；再将混合物放置于球磨机内15-30个小时，其中球磨频率为540-600转/分钟；球磨结束后，将所述的含少量杂质的掺入氮元素的氟化石墨烯超声分散于去离子水中，得到水系混合悬浊液；将上述超声后的水系混合悬浊液装入离心管离心，收取上层掺入氮元素的氟化石墨烯稳定悬浊液，弃去沉淀物；经过抽滤除去上述掺入氮元素的氟化石墨烯稳定悬浊液中的水分，干燥得到掺入氮元素的氟化石墨烯。其中，添加剂为铵盐，其包括碳酸铵、氟化铵等。研磨用的研磨器具材质为玛瑙、陶瓷、玻璃、不锈钢或聚四氟乙烯。

下面结合具体实施例对本发明作以下进一步说明：

实施例1

(1)分别称量将氟化石墨和碳酸铵按质量比为1：1，将其加入玛瑙灌(容量为100ml)里，其中氟化石墨质量为4克；向玛瑙灌里加入玛瑙珠；

(2)将玛瑙灌固定在球磨机里，研磨15小时球磨过程中，球磨频率540转/分钟；

(3)向步骤2所得的混合物中多次加入去离子水对其反复进行洗涤，然后进行抽滤真空干燥研磨即得到氟化石墨烯固体粉末。

通过扫描电镜观察，发现所得产物是片状结构，说明氟化石墨成功剥离成为氟化石墨烯(如附图1)。附图2是所得产物的xps图谱，从图中可以看出，原始的氟化石墨(fg)294.6ev和687ev出现了明显碳峰和氟峰，而氮掺杂氟化石墨烯(ng)在400ev处多出现了一个了氮峰，说明氮原子已经成功掺进了氟化石墨烯中。

实施例2

(1)将氟化石墨与碳酸铵分别称量混合，其中氟化石墨质量为4克，碳酸铵的质量为8克，质量比为1：2；向玛瑙灌里加入玛瑙珠；

(2)将玛瑙灌固定在球磨机里，研磨20个小时球磨过程中，球磨频率540转/分钟；

(3)向步骤2所得的混合物中多次加入去离子水对其反复进行洗涤，然后进行抽滤真空干燥研磨即得到氟化石墨烯固体粉末。

实施例3

(1)将氟化石墨与氟化铵混合，其中氟化石墨质量为4克，氟化铵为4克，质量比为1：1；向玛瑙灌里加入玛瑙珠；

(2)将玛瑙灌固定在球磨机里，研磨25个小时球磨过程中，球磨频率600转/分钟；

(3)向步骤2所得的混合物中多次加入去离子水对其反复进行洗涤，然后进行抽滤真空干燥研磨即得到氟化石墨烯固体粉末。

所得掺氮氟化石墨烯的形貌较好，由附图3可清晰看出明显的片层结构。附图4是所得产物的xps图谱，从图中可以看出，原始的氟化石墨(fg)294.6ev和687ev出现了明显碳峰和氟峰，而氮掺杂氟化石墨烯(ng)在400ev处多出现了一个了氮峰，说明氮原子已经成功掺进了氟化石墨烯里。

实施例4

(1)将氟化石墨，铵盐混合，其中氟化石墨质量为4克，氟化铵的质量为8克质量比为1：2；加入玛瑙珠；

(2)将玛瑙灌固定在球磨机里，研磨30个小时球磨过程中，球磨频率600转/分钟；

(3)向步骤2所得的混合物中多次加入去离子水对其反复进行洗涤，然后进行抽滤真空干燥研磨即得到氟化石墨烯固体粉末。

附图5是所得产物的扫描电镜图，从图中可以看出，所得到的掺氮氟化石墨烯保持了较完整的片状结构。

比较例1

(1)将4克氟化石墨称量加入玛瑙灌(容量为100ml)里，向玛瑙灌里加入玛瑙珠；

(2)将玛瑙灌固定在球磨机里，研磨30小时，球磨频率540转/分钟；

(3)向步骤2所得的氟化石墨粉与玛瑙球分离，再加入去离子水对其反复进行洗涤，然后进行抽滤，真空干燥研磨得到研磨剥离的氟化石墨固体粉末。

为了比较不同条件下得到的产物在水介质中的分散效果，将原料氟化石墨、比较例1、实施例1、2、3、4所得产物分散在水中形成质量分数为2％的分散体，然后超声3个小时，然后静置12h，附图6从左到右依次是所得到的产物的分散效果图，由图可以清晰的看出，相比氟化石墨原料，掺氮之后所得的氟化石墨烯在水里的分散性得到较大的改善。这个改善会使其在复合材料应用时改善其与其他介质的兼容性，在润滑油、涂料、功能复合材料设计以及电池等领域有望得到应用。

本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化等，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。