CN103738958A - 一种氟掺杂石墨烯材料的制备方法 - Google Patents

一种氟掺杂石墨烯材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种氟掺杂石墨烯材料的制备方法，属于高温碳化制备氟掺杂石墨烯的方法。该方法是将含氟高分子材料放入刚玉坩埚中并置于高温反应容器内，在一定气体氛围下，按特定升温速率于300-900℃条件下烧结1-8小时即得氟掺杂石墨烯产品。采用含氟高分子材料为原料，通过一步高温碳化法制备氟掺杂石墨烯材料，所用的原料廉价易得，制备步骤简单，操作可控性高，且所得产品主要为片层数较少（2-10纳米）的氟掺杂石墨烯，较易于大规模工业化生产。同时，该方法是在非氧化性气氛环境下生产，能有效降低目标产物石墨烯中的氧含量，有望在新能源锂离子电池、催化、光学、电化学等领域获得广泛应用。

Description

一种氟掺杂石墨烯材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种高温碳化制备氟掺杂石墨烯的方法，特别是一种氟掺杂石墨烯材料的制备方法。
背景技术
传统石墨烯材料是一种从鳞片状石墨材料剥离出来的单层或少量层数碳的二维结构材料。由于石墨烯具有原子级厚度，从而使其具备了优异的电学性能、出色的化学和热力学稳定性，这使其在纳米电子学、新能源储能、催化、吸附及环境保护等领域有着重要的应用前景，并已成为国际材料科学研究热点。目前石墨烯片层数少于10层都可以称为石墨烯，且大多数制备出来的石墨烯的片层数为3-8层。到目前为止，已发展出了多种制备石墨烯的方法，如：机械剥离法（Science, 2004, 306, 666-669）；化学气相沉积法（Nano Lett., 2009, 9, 30–35）；溶剂剥离法（Nature Nanotechnol., 2008, 3, 563-568）；氧化-还原法（Chem. Soc. Rev., 2014,43, 291-312）。现有制备方法或多或少都存在一些明显的缺憾，要么产生数量极为有限，难以规模化；要么制备成本高，工艺复杂，难以产业化；要么所获得的产品氧含量高，为进一步应用或改性带来不便。此外，研究表明，石墨烯材料还可以通过引入杂原子（如N, S等）来改变其电子结构，特别是可以通过改变掺杂氟元素数量来达到调节其带隙目的，从而进一步改变和提高其电学、储能、催化等方面的性能，但由于制备手段的限制，氟掺杂石墨烯的制备及研究尚处于起步阶段。
发明内容
本发明主要是针对现有技术的不足，提供一种氟掺杂石墨烯材料的制备方法，解决现有制备方法产生数量极为有限，难以规模化；制备成本高，工艺复杂，难以产业化；产品氧含量高，为进一步应用或改性带来不便的问题。
实现本发明目的的技术方案：本发明的氟掺杂石墨烯材料的制备方法，包括如下步骤：
将含氟高分子材料放入刚玉坩埚中，并将刚玉坩埚移入到高温炉中，在一定气体氛围下，控制一定升温速率并于300-900 ℃反应温度条件下烧结1-8小时即得氟掺杂石墨烯产品。
所述的含氟高分子材料优选氟乙烯类聚合物为：偏氟乙烯的聚合物、三氟氯乙烯的聚合物或四氟乙烯的聚合物。
所述的一定气体氛围优选氩气、氮气或二者气体任意混合比的混合气；所述氩气或氮气的纯度为98%-99.999%。
所述的一定升温速率优选3-10 ℃/min，特别优选5 ℃/min。
所述的优选反应温度为500-700 ℃条件下反应2-6小时，特别优先于600 ℃条件下反应3小时。
有益效果，由于采用了上述方案，采用含氟高分子材料为原料，通过一步高温碳化法制备氟掺杂石墨烯材料，所用的原料廉价易得，制备步骤简单，操作可控性高，且所得产品主要为片层数较少（2-10纳米）的氟掺杂石墨烯，较易于大规模工业化生产。同时，该方法是在非氧化性气氛环境下生产，能有效降低目标产物石墨烯中的氧含量，有望在新能源锂离子电池、催化、光学、电化学等领域获得广泛应用。
附图说明
图1 为本发明实施例1氟掺杂石墨烯产品的X-射线粉末衍射花样；其中左纵坐标为相对强度（Intensity），横坐标为衍射角度（2θ）。
图2 为本发明实施例1氟掺杂石墨烯产品的典型拉曼光谱图。
图3 为本发明实施例1氟掺杂石墨烯产品的透射电子显微镜照片。
图4 为本发明实施例1氟掺杂石墨烯产品的高分辨率透射电子显微镜照片。
具体实施方式
下面通过具体实施例并结合附图对本发明做进一步说明。
实施例1：氟掺杂石墨烯材料的制备及表征；
取1.0克聚偏氟乙烯粉末放入到刚玉坩埚中，并将刚玉坩埚移入到管式炉中，在氩气氛围下以5 ℃/min的升温速率升至600 ℃，并于600 ℃条件下烧结3小时，即得氟掺杂石墨烯产品。
产物经Bruker D8 ADVANCE X-射线粉末衍射仪以Cu Kα射线 (波长λ= 1.5418 Å, 扫描步速为0.08°/秒)及鉴定为石墨相（如图1）；拉曼光谱表征为石墨相（如图2）；JEM 1011透射电子显微镜照片（图3）及高分辨电镜照片（图4）表明所得产品为卷曲薄膜状物质，厚度主要分布在约2-4纳米。
实施例2：取1.0克聚四氟乙烯粉末放入到刚玉坩埚中，并将刚玉坩埚移入到管式炉中，在氩气氛围下以5 ℃/min的升温速率升至650 ℃，并于650 ℃条件下烧结3小时，即得氟掺杂石墨烯产品。
所得产物为具有少量层数卷曲薄膜状石墨烯，厚度主要分布在3-6纳米。
实施例3：取1.0克聚偏氟乙烯粉末放入到刚玉坩埚中，并将刚玉坩埚移入到管式炉中，在氮气氛围下以5 ℃/min的升温速率升至650 ℃，并于650 ℃条件下烧结3小时，即得氟、氮掺杂石墨烯产品。
所得产物为具有少量层数卷曲薄膜状石墨烯，厚度主要分布在3-6纳米。
实施例4：取1.0克聚偏氟乙烯粉末放入到刚玉坩埚中，并将刚玉坩埚移入到管式炉中，在氩氮混合气氛下以5 ℃/min的升温速率升至600 ℃，并于600 ℃条件下烧结3小时，即得氟、氮掺杂石墨烯产品。
所得产物为具有少量层数卷曲薄膜状石墨烯，厚度主要分布在2-5纳米。
实施例5：取1.0克聚偏氟乙烯粉末放入到刚玉坩埚中，并将刚玉坩埚移入到管式炉中，在氩氮混合气氛下以10 ℃/min的升温速率升至900 ℃，并于900 ℃条件下烧结1小时，即得氟、氮掺杂石墨烯产品。其它与实施例1同。
实施例6：取1.0克聚偏氟乙烯粉末放入到刚玉坩埚中，并将刚玉坩埚移入到管式炉中，在氩氮混合气氛下以3 ℃/min的升温速率升至300 ℃，并于300 ℃条件下烧结8小时，即得氟、氮掺杂石墨烯产品。其它与实施例1同。

Claims (5)

1.一种氟掺杂石墨烯材料的制备方法，其特征是：包括如下步骤：
将含氟高分子材料放入刚玉坩埚中，并将刚玉坩埚移入到高温炉中，在气体氛围下，控制升温速率并于300-900 ℃反应温度条件下烧结1-8小时即得氟掺杂石墨烯产品。
2.根据权利要求1所述的一种氟掺杂石墨烯材料的制备方法，其特征是：所述的含氟高分子材料优选氟乙烯类聚合物为：偏氟乙烯的聚合物、三氟氯乙烯的聚合物或四氟乙烯的聚合物。
3.根据权利要求1所述的一种氟掺杂石墨烯材料的制备方法，其特征是：所述的气体氛围优选氩气、氮气或二者气体任意混合比的混合气；所述氩气或氮气的纯度为98%-99.999%。
4.根据权利要求1所述的一种氟掺杂石墨烯材料的制备方法，其特征是：所述的升温速率优选3-10 ℃/min，特别优选5 ℃/min。
5.根据权利要求1所述的一种氟掺杂石墨烯材料的制备方法，其特征是：所述的优选反应温度为500-700 ℃条件下反应2-6小时，特别优先于600 ℃条件下反应3小时。
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