CN110950331A - 一种大批量制备氟化石墨烯分散液的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种大批量制备氟化石墨烯分散液的方法，将氟化石墨与离子液体通过水热反应，然后经过离心收集得到氟化石墨烯分散液；利用离子液体改善了氟化石墨烯的疏水性，使得可以在水中剥离氟化石墨烯；制备的氟化石墨烯分散液可以长期稳定分散，可以得到单层或少层的氟化石墨烯，同时工艺简便，绿色环保，生产成本低，可以大批量制备。

Description

一种大批量制备氟化石墨烯分散液的方法
技术领域
本发明属于二维材料剥离技术领域，具体指一种大批量制备氟化石墨烯分散液的方法。
背景技术
氟化石墨烯是石墨烯的一种重要衍生物，不仅保留了部分石墨烯的SP2结构，还有自身的SP3结构，其中氟原子和碳原子以共价键的形式结合。氟化石墨烯所具有的独特结构在很多方面都具备优异的性能。比如具有极低的表面能、化学性质稳定、很好的热稳定性、带隙宽、绝缘性能好等。这些优异的性能使得氟化石墨烯在自清洁、固体润滑剂、超疏水涂层和纳米电子器件等方面具有广阔的应用前景。
目前制备氟化石墨烯的方法可分为化学法和物理法。化学法包括利用氟化剂、石墨和氟气之间反应的方法，但所使用的氟化剂剧毒有安全风险，并且价格昂贵，需要专业设备，而且制得的氟化石墨烯纯净度不高，含有较多杂质。物理法指液相剥离或机械剥离，虽然这种方法成本低，工艺简单，但制得的氟化石墨烯尺寸较小，碳结构被破坏，规整性下降。
离子液体是一种在室温或接近室温下呈现液态，完全由阴阳离子所组成的盐。一般是由有机阳离子和无机阴离子组成，具有无味、环保、不燃、蒸气压极低等优点，对无机和有机物都有很好的溶解性，可在300℃以内安全使用，热稳定性和化学稳定性好，最重要的一点是离子液体的表面张力与氟化石墨烯的相匹配，可以很好的插入氟化石墨的层间，扩大层间距，进而达到剥离的效果。申请号201410196609.0的中国发明专利公开了一种基于离子液晶剥离石墨制备石墨烯的方法，该方法包括研磨、微波、超声和热处理，最后经过高速离心得到石墨烯，但制备过程繁杂，不易大量制备。申请号201810773897.X的中国发明专利公开了一种通过离子液体剥离制备的氟化石墨烯，制备方案为通过离子液体和极性溶剂在超声条件下一起对氟化石墨进行剥离从而制得氟化石墨烯，但该方法所用的离子液体和极性溶剂需求较多，且极性溶剂有毒不易处理，会对环境造成危害。
尽管有少量的制备石墨烯或氟化石墨烯的中国发明专利，但是大批量制备氟化石墨烯分散液的方法还未见相关报道。
发明内容
本发明目的在于提出一种安全系数高，工艺环保的大批量制备氟化石墨烯分散液的方法，克服现有氟化石墨烯制备方法存在的安全性、成本高、易团聚或产率低等问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。
一种大批量制备氟化石墨烯分散液的方法，包括如下步骤：
(1)将氟化石墨与离子液体按质量比1：(1～5)混合加入去离子水中，超声均匀；
(2)将混合物置于反应釜中在150～250℃加热12～24h，得到黑色的混合液；
(3)将混合液离心，收集上层分散液，再加入去离子水超声均匀，继续离心；重复加入去离子水超声均匀、离心5～10次即得到氟化石墨烯分散液。
进一步，所述步骤(1)中超声波功率为40～100W，超声时间为0.5～2h。
进一步，所述步骤(1)中所用的离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-十二基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐或溴化1-十六烷基-3-甲基咪唑。
进一步，所述步骤(1)中加入的去离子水与氟化石墨的用比量为15ml；1g。
进一步，所述步骤(3)中离心转速为2000～4000rpm，每次时间为5～20min。
进一步，所述步骤(3)中每次取离心后分散液的1/2。
本发明具有以下有益的效果：
本发明大批量制备氟化石墨烯分散液的方法，将氟化石墨与离子液体通过水热反应，然后经过离心收集得到氟化石墨烯分散液，利用离子液体为辅助剥离氟化石墨，因其含有很多氟原子，改善了氟化石墨烯的疏水性，加入离子液体以后通过超声可以使氟化石墨浸润在水中，再通过水热反应使得离子液体完全嵌入氟化石墨层间，插层剥离得到氟化石墨烯，可以在水中剥离氟化石墨烯；不需要使用其他有机溶剂，生产成本低，绿色环保，安全系数高；用该方法制备的氟化石墨烯分散液可以长期稳定分散，可以得到单层或少层的氟化石墨烯，同时工艺简便，绿色环保，生产成本低，可以大批量制备。
附图说明
图1是本发明制备氟化石墨烯分散液的光镜照片；
图2是本发明制备氟化石墨烯的XRD；
图3是本发明制备氟化石墨烯的TEM；
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。
实施例1
将1g氟化石墨和1g离子液体1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐混合到15ml去离子水中，在40W功率下超声30min。
将混合液置于水热反应釜中，在150℃下反应24h。
将得到的混合液在2000rpm下离心20min，收集上层1/2的上清液。再加入15ml去离子水，继续在2000rpm下离心20min，此过程重复了5次。最终得到的分散液即为实施例1的氟化石墨烯分散液。
实施例2
将1g氟化石墨和1g离子液体溴化1-十六烷基-3-甲基咪唑混合到15ml去离子水中，在60W功率下超声60min。
将混合液置于水热反应釜中，在200℃下反应20h。
将得到的混合液在3000rpm下离心15min，收集上层1/2的上清液。再加入15ml去离子水，继续在3000rpm下离心15min，此过程重复了6次。最终得到的分散液即为实施例2的氟化石墨烯分散液。
实施例3
将1g氟化石墨和1g离子液体1-十二基-3-甲基咪唑四氟硼酸混合到15ml去离子水中，在80W功率下超声60min。
将混合液置于水热反应釜中，在150℃下反应12h。
将得到的混合液在4000rpm下离心10min，收集上层1/2的上清液。再加入15ml去离子水，继续在4000rpm下离心10min，此过程重复了5次。最终得到的分散液即为实施例3的氟化石墨烯分散液。
实施例4
将2g氟化石墨和4g离子液体1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐混合到30ml去离子水中，在100W功率下超声60min。
将混合液置于水热反应釜中，在200℃下反应12h。
将得到的混合液在3000rpm下离心15min，收集上层1/2的上清液。再加入15ml去离子水，继续在3000rpm下离心15min，此过程重复了8次。最终得到的分散液即为实施例4的氟化石墨烯分散液。
实施例5
将4g氟化石墨和4g离子液体溴化1-十六烷基-3-甲基咪唑混合到60ml去离子水中，在80W功率下超声90min。
将混合液置于水热反应釜中，在250℃下反应20h。
将得到的混合液在5000rpm下离心10min，收集上层1/2的上清液。再加入15ml去离子水，继续在5000rpm下离心5min，此过程重复了8次。最终得到的分散液即为实施例5的氟化石墨烯分散液。
实施例6
将4g氟化石墨和20g离子液体溴化1-十六烷基-3-甲基咪唑混合到60ml去离子水中，在100W功率下超声120min。
将混合液置于水热反应釜中，在250℃下反应24h。
将得到的混合液在5000rpm下离心5min，收集上层1/2的上清液。再加入15ml去离子水，继续在5000rpm下离心5min，此过程重复了10次。最终得到的分散液即为实施例6的氟化石墨烯分散液。
图1是本发明制备氟化石墨烯分散液的光镜照片；可以看到氟化石墨烯在水中均匀分散无团聚，说明所制备的分散液具有很好的分散性。
图2是本发明制备氟化石墨烯的XRD；在图中可以看到氟化石墨烯的(002)反射峰的强度和宽度明显增大，在2θ＝24°时伴随着蓝移，说明氟化石墨烯沿堆积方向的有序性较差，主要是少层的片组成。
图3是本发明制备氟化石墨烯的TEM；图中可以看到所剥离的氟化石墨烯是单层或少层的片，说明本方法是一种简单有效的剥离方法。
最后应该说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种大批量制备氟化石墨烯分散液的方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)将氟化石墨与离子液体按质量比1：(1～5)混合加入去离子水中，超声均匀；
(2)将混合物置于反应釜中在150～250℃加热12～24h，得到黑色的混合液；
(3)将混合液离心，收集上层分散液，再加入去离子水超声均匀，继续离心；重复加入去离子水超声均匀、离心5～10次即得到氟化石墨烯分散液。
2.根据权利要求1所述的一种大批量制备氟化石墨烯分散液的方法，其特征在于：所述步骤(1)中超声波功率为40～100W，超声时间为0.5～2h。
3.根据权利要求1所述的一种大批量制备氟化石墨烯分散液的方法，其特征在于：所述步骤(1)中所用的离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-十二基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐或溴化1-十六烷基-3-甲基咪唑。
4.根据权利要求1所述的一种大批量制备氟化石墨烯分散液的方法，其特征在于：所述步骤(1)中加入的去离子水与氟化石墨的用比量为15ml；1g。
5.根据权利要求1所述的一种大批量制备氟化石墨烯分散液的方法，其特征在于：所述步骤(3)中离心转速为2000～4000rpm，每次时间为5～20min。
6.根据权利要求1所述的一种大批量制备氟化石墨烯分散液的方法，其特征在于：所述步骤(3)中每次取离心后分散液的1/2。
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