[发明专利]一种铁掺杂石墨烯纳米片粉体材料的高温膨胀制备方法

说明书

本发明提供一种铁掺杂石墨烯纳米片粉体材料的高温膨胀制备方法。首先，运用熔融盐法制备二阶石墨插层化合物；然后，氧化插层制备含氧基团层和三氯化铁交替插层石墨的材料；最后，采用高温处理材料，含氧基团层与三氯化铁分解产生气体，得到铁掺杂石墨烯纳米片粉体材料。本发明所述方法剥离效率高，有效减轻石墨烯片层结构的破坏，铁离子均匀分布在石墨烯片层间，有效提高石墨烯纳米片的导电性，制备工艺简单，对设备的要求较低，适于工业或实验室操作，具有巨大的应用前景。

技术领域

本发明涉及石墨烯粉体制备领域，尤其是一种铁掺杂石墨烯纳米片粉体材料的高温膨胀制备方法。

背景技术

石墨烯是一种完全由碳原子构成的厚度仅为单原子层或数个单原子层的准二维晶体材料，其特殊的结构蕴含着丰富而新奇的物理现象，使其展现出许多优异性质，例如，最薄、最牢固、高硬度、高导热系数、高电子迁移率、几乎完全透明等特性，可用来发展更薄且导电速度更快的新一代电子元件、透明触控屏幕、气体传感器、复合材料、场发射材料等，广泛应用于电子、能源、化工、轻工、军工、航天及国防等领域。利用石墨烯制备的导电油墨、抗静电材料、导电防腐涂料等产品以石墨烯纳米片粉体材料作为主要导电物质，通过相互搭接构建导电通路使复合材料具有导电性。然而，其导电性与使用金属填料的产品相比还有很大差距，这主要是由于石墨烯纳米片的本征电导率略低而相互之间的接触电阻极高造成的。微观上，物质的电导率是其载流子浓度和迁移率的乘积，石墨烯的载流子迁移率为金属的10倍以上，而载流子浓度仅为金属材料的0.1％～1％，英国艾克赛特大学的Cracium教授介绍了利用氯化铁对石墨烯进行插层掺杂处理可以使石墨烯的导电性提高至原来的十倍以上，并且可以在常温及大气环境中长期保持稳定，表明利用氯化铁对石墨烯进行掺杂可以有效提高石墨烯纳米片的导电性。

氧化石墨又被称为石墨氧化物或被称为石墨酸，可以通过强氧化剂处理石墨制备得到，氧化程度最高的产物是一种碳氧数量之比介于2.1到2.9之间黄色固体，仍然保留石墨母体的片状结构，但是两层间的间距(约0.7nm)大约是石墨中层间距的两倍。近年来，以氧化石墨为原料来大规模工业化生产石墨烯成为主流方式，由于氧化石墨中存在大量亲水基团，氧化石墨很容易在水溶液分散，形成单个石墨层，但氧化石墨本身却是绝缘体或是半导体，需要再通过还原反应得到石墨烯。尽管采用氧化石墨法可以高效剥离制备单层及少层石墨烯，但需避免石墨烯片层结构破坏严重的问题。

发明内容

本发明提供一种铁掺杂石墨烯纳米片粉体材料的高温膨胀制备方法，在高效制备石墨烯的同时，可以有效减小石墨烯片层的破坏，并将铁离子均匀掺入石墨烯片层间。已有文献报道利用一阶三氯化铁石墨插层化合物在高温处理下层间三氯化铁分解制备石墨烯，由于产生气体量较少，体积变化不大，剥离效率较低，本发明采用氧化石墨高温膨胀法，产生100-300倍的体积膨胀，剥离效率高。另外，二阶三氯化铁石墨插层化合物较为稳定，可以阻止三氯化铁临近侧碳面的氧化，氧化量直接减少一半，有效减轻石墨烯片层结构的破坏。还有，三氯化铁高温下分解为二价铁，仍然存在于片层间，由于其前期以插层化合物形式存在，分布规律，作为掺杂剂可均匀分布在石墨烯片层间，有效提高石墨烯纳米片的导电性。

本发明采用如下技术方案：

一种铁掺杂石墨烯纳米片粉体材料的高温膨胀制备方法，包括如下步骤：

(1)运用熔融盐法将无水三氯化铁与石墨混合加热制备二阶石墨插层化合物；

(2)采用氧化剂和浓酸对二阶石墨烯插层化合物进行氧化插层，得到含氧基团层和三氯化铁交替插层石墨的材料；

(3)保护气氛下，采用高温处理材料，含氧基团层与三氯化铁分解产生气体，得到铁掺杂石墨烯纳米片粉体材料；

(4)将铁掺杂石墨烯纳米片粉体材料浸入盐酸溶液中搅拌，抽滤后自然干燥，可多次重复此过程调节铁的掺杂量。

步骤(1)中的熔盐法反应温度为400℃，反应时间为4-6小时，无水三氯化铁与石墨质量比为5∶1。