CN108383110B - 一种氟化石墨烯纳米带的制备方法 - Google Patents

一种氟化石墨烯纳米带的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种以氟气作为氟源制备氟化石墨烯纳米带的方法，包括以下步骤：将无水碳纳米管，在‑0.07～0MPa，280～450℃条件下，在氟气氛围中氟化，得到氟化石墨烯纳米带。本发明提供的方法操作简单，原料来源广，成本低，产量高，产量能够达到几十毫克甚至百克，而且后处理简单，一步反应即可制得氟化石墨烯纳米带。制备的氟化石墨烯纳米带具有很好超疏水性、化学稳定性，可应用于防护冰等领域，具有非常好的应用前景。

Description

一种氟化石墨烯纳米带的制备方法
技术领域
本发明涉及石墨烯技术领域，尤其涉及一种氟化石墨烯纳米带的制备方法。
背景技术
氟化石墨烯纳米带是石墨烯的一种重要的衍生材料，石墨烯是一种带有平面晶格的碳材料，是一种被证明具有电荷的半金属，具有竞争或超过所有的电子学中使用的已知材料，还是一种零能隙半导体材料。石墨烯纳米带则是具有大的长宽比的一种石墨烯，其在电学上的应用有些时候会受到一些局限，为了打开能带一般可以将电子限制在纳米带上或者对石墨烯纳米带的双层结构进行一些修改，对石墨烯进行化学修饰是其中一种扩展能带的方法。当氧原子、氢原子或者氟原子通过共价键与石墨烯纳米带中的碳原子结合时，形成了宽的禁带。氟原子接到了每个单独的碳原子上，这就可以消除电子云，也可以防止电流的常态流动，但这不会影响微观结构上完整的石墨烯架构。
氟化石墨烯纳米带是一种机械强度高，热学与化学性能稳定的化合物，这种新物质的诞生将对电子应用产生巨大影响，它将改进电子质量，氟化石墨烯纳米带可以用作隧道障碍，或者作为高质量屏障材料，应用于有机电子产品中。而且氟化石墨烯纳米带具有非常好的超疏水性能，可以在防冰领域有很好的应用前景。
目前的氟化石墨烯纳米带的制备方法是先把碳纳米管切割成氧化石墨烯纳米带，然后再通过气相氟化和还原的方法制得氟化石墨烯纳米带。该方法能耗高，过程复杂，产量低，难以工业化推广。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种氟化石墨烯纳米带的制备方法，制备方法简单。
本发明提供了一种氟化石墨烯纳米带的制备方法，包括以下步骤：
将无水碳纳米管，在-0.07～0MPa，280～450℃条件下，在氟气氛围中氟化，得到氟化石墨烯纳米带。
优选的，所述碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管或多壁碳纳米管。
优选的，所述无水碳纳米管的除水方式为：
将碳纳米管、干燥剂放入真空干燥箱中，80～120℃真空干燥。
优选的，所述干燥剂为无水五氧化二磷。
优选的，所述无水碳纳米管在使用前经二次干燥：无水碳纳米管在反应器中，真空，280～450℃保温30～300min。
优选的，所述氟气氛围为氟气或氟气和惰性气体的混合气体。
优选的，所述混合气体中，氟气的体积比例为10％～50％。
优选的，所述惰性气体为氮气。
优选的，所述氟化的时间为4～12h。
优选的，所述制备方法还包括纯化操作；将碳纳米管或无水碳纳米管在H2的氛围下纯化，所述纯化的温度为500～800℃，所述纯化的时间为5～10h。
与现有技术相比，本发明提供了一种以氟气作为氟源制备氟化石墨烯纳米带的方法，包括以下步骤：将无水碳纳米管，在-0.07～0MPa，280～450℃条件下，在氟气氛围中氟化，得到氟化石墨烯纳米带。本发明提供的方法操作简单，原料来源广，成本低，产量高，产量能够达到几十毫克甚至百克，而且后处理简单，一步反应即可制得氟化石墨烯纳米带。制备的氟化石墨烯纳米带具有很好超疏水性、化学稳定性，可应用于防护冰等领域，具有非常好的应用前景。
附图说明
图1为氟化石墨烯纳米带的透射电镜图；
图2为氟化石墨烯纳米带的接触角测试图；
图3为氟化石墨烯纳米带的红外光吸收光谱图；
图4为氟化石墨烯纳米带的X射线光电子能谱。
具体实施方式
本发明提供了一种氟化石墨烯纳米带的制备方法，包括以下步骤：
将无水碳纳米管，在-0.07～0MPa，280～450℃条件下，在氟气氛围中氟化，得到氟化石墨烯纳米带。
本发明可以以单壁碳纳米管、双壁碳纳米管或多壁碳纳米管为碳纳米管原料。
为保证氟化过程的顺利进行，所述碳纳米管必须为无水。所述无水碳纳米管的除水方式优选为：
将碳纳米管、干燥剂放入真空干燥箱中，80～120℃真空干燥。
所述干燥时间优选为4～8h。
所述干燥剂优选为无水五氧化二磷、分子筛和活性炭中的一种或多种。
本发明优选的，所述无水碳纳米管在使用前经二次干燥：碳纳米管在反应器中，真空，280～450℃保温30～300min。然后再抽至真空，通入氟气。
所述氟气氛围为氟气或氟气和惰性气体的混合气体。
所述混合气体中，氟气的体积比例优选为10％～50％。
所述惰性气体优选为氮气。
所述氟化的时间优选为4～12h。
氟化后，本发明优选对得到的材料干燥。所述干燥的时间优选为8～12h。
本发明优选的，所述制备方法还包括纯化操作：将碳纳米管或无水碳纳米管在H2的氛围下纯化，以去除其中的氧化物等杂质。
对碳纳米管进行纯化操作，得到的氟化石墨烯纳米带含氧量更少，样品更加均匀使其后续的疏水性能得到提高。
所述纯化的温度优选为500～800℃，所述纯化的时间优选为5～10h。
上述纯化操作可以在碳纳米管干燥后，第二次干燥之前；或第二次干燥之后；或碳纳米管干燥之前，本发明对此并无特殊限定。
本发明提供的方法操作简单，原料来源广，成本低，产量高，产量能够达到几十毫克甚至百克，而且后处理简单，一步反应即可制得氟化石墨烯纳米带。制备的氟化石墨烯纳米带具有很好超疏水性、化学稳定性，可应用于防护冰等领域，具有非常好的应用前景。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的氟化石墨烯纳米带的制备方法进行详细描述。
实施例1
(1)将10mg单壁碳纳米管放入管式炉中通H2，500℃纯化5h；
(2)把纯化过的10mg单壁碳纳米管放入100℃真空干燥箱中，并在真空干燥箱底部放入无水五氧化二磷，4h后取出密封，备用；
(3)将(2)中得到的10mg干燥单壁碳纳米管置于反应器抽至真空，待反应器升温到反应温度300℃后保温240min，然后再抽至真空通入20％的氟气和氮气的混合气至-0.07Mpa，反应4h；
(4)将(3)中得到的产物置于真空干燥箱中干燥10h，得到氟碳比为0.97的氟化石墨烯纳米带8.3mg。
采用透射电镜对制备的氟化石墨烯纳米带微观结构进行表征，图1为透射电镜图，由图1可以看出，本发明制备得到了均匀性很高的氟化石墨烯纳米带。
对其接触角进行测试，图2为接触角测试图，由图2可以看出，其接触角为170°±2°，说明其具有很好的超疏水性能。
对其红外光吸收进行检测，结果见图3，图3为红外光吸收光谱图，从上到下，依次为曲线a为200℃氟化碳管，曲线b为250℃氟化碳管，曲线c为280℃氟化碳管，曲线d为300℃氟化碳管。由图3可以看出，其在1530处有个C＝C吸收峰，在300℃时，碳管被切开，这个峰消失。
对其进行XPS分析，结果见图4，图4为X射线衍射图谱，可以看出本发明制备的氟化石墨烯纳米带含有C、O、F元素。
实施例2
(1)将50mg单壁碳纳米管放入管式炉中通H2，500℃纯化5h。
(2)把纯化过的50mg单壁碳纳米管放入90℃真空干燥箱中，并在真空干燥箱底部放入无水五氧化二磷，6h后取出密封，备用；
(3)将(2)中得到的50mg干燥单壁碳纳米管置于反应器抽至真空，待反应器升温到反应温度320℃后保温240min，然后再抽至真空通入20％的氟气和氮气的混合气至0Mpa，反应4h；
(4)将(3)中得到的产物置于真空干燥箱中干燥10h，得到氟碳比为1.08的氟化石墨烯纳米带42.6mg。
实施例3
(1)将12mg双壁碳纳米管放入100℃真空干燥箱中，并在真空干燥箱底部放入无水五氧化二磷，6h后取出密封，备用；
(2)将(1)中得到的12mg干燥双壁碳纳米管置于反应器抽至真空，待反应器升温到反应温度350℃后保温240min，然后再抽至真空通入20％的氟气和氮气的混合气至0Mpa，反应5h；
(3)将(2)中得到的产物置于真空干燥箱中干燥10h，得到氟碳比为0.87的氟化石墨烯纳米带10.2mg。
实施例4
(1)将40mg双壁碳纳米管放入管式炉中通H2，700℃纯化5h。
(2)把纯化过的40mg双壁碳纳米管放入100℃真空干燥箱中，并在真空干燥箱底部放入无水五氧化二磷，5h后取出密封，备用；
(3)将(2)中得到的40mg干燥双壁碳纳米管置于反应器抽至真空，待反应器升温到反应温度380℃后保温300min，然后再抽至真空通入20％的氟气和氮气的混合气至0Mpa，反应6h；
(4)将(3)中得到的产物置于真空干燥箱中干燥10h，得到氟碳比为0.96的氟化石墨烯纳米带33.2mg。
实施例5
(1)把10mg多壁碳纳米管放入100℃真空干燥箱中，并在真空干燥箱底部放入无水五氧化二磷，6h后取出密封，备用；
(2)将(1)中得到的10mg干燥多壁碳纳米管置于反应器抽至真空，待反应器升温到反应温度450℃后保温300min，然后再抽至真空通入20％的氟气和氮气的混合气至0Mpa，反应6h；
(3)将(2)中得到的产物置于真空干燥箱中干燥10h，得到氟碳比为0.82的氟化石墨烯纳米带7.8mg。
由上述实施例可知，本发明一步即可制备得到氟化石墨烯纳米带，制备方法简单。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种氟化石墨烯纳米带的制备方法，包括以下步骤：
将无水碳纳米管，在-0.07～0MPa，280～450℃条件下，在氟气氛围中氟化，得到氟化石墨烯纳米带。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管或多壁碳纳米管。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述无水碳纳米管的除水方式为：
将碳纳米管、干燥剂放入真空干燥箱中，80～120℃真空干燥。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述干燥剂为无水五氧化二磷、分子筛和活性炭中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述无水碳纳米管在使用前经二次干燥：无水碳纳米管在反应器中，真空，280～450℃保温30～300min。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氟气氛围为氟气或氟气和惰性气体的混合气体。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述混合气体中，氟气的体积比例为10％～50％。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述惰性气体为氮气。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氟化的时间为4～12h。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，还包括纯化操作；将碳纳米管或无水碳纳米管在H2的氛围下纯化，所述纯化的温度为500～800℃，所述纯化的时间为5～10h。
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