一種催化法制備高純氟化石墨的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于一種氟化石墨的制備方法，具體涉及一種催化法制備高純氟化石墨的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氟化石墨是一種高性能、高效益、高科技的功能型碳基材料。此材料本身具有很多獨特的物理化學(xué)性質(zhì)，使其在多種領(lǐng)域大顯身手。由于氟化石墨層間作用力極低，且熱穩(wěn)定性強，因此具有良好的潤滑性能，可作為高端固體潤滑劑;其表面能非常低，憎水性極強，因此可以用來做防水防污涂料；而采用氟化石墨為正極材料鋰離子一次電池，電容量可達到普通鋅錳電池的6?12倍。得益于其優(yōu)異的性能，氟化石墨一直是全世界學(xué)者們研究的熱點。但是其合成技術(shù)門檻較高，全世界僅有美國、日本和俄羅斯實現(xiàn)了氟化石墨的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。目前行業(yè)普遍的合成方法主要有高溫法、低溫法、電解法和等離子體法等。其中電解法和等離子體法涉及到工藝、安全、能耗和成本等問題，短時間內(nèi)不可能實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。因此目前工業(yè)上主要走高溫法和低溫法兩種技術(shù)路線，但是兩種方法各有利弊。其中高溫法是用原料石墨與一定濃度的氟氣在高溫下直接反應(yīng)，反應(yīng)溫度一般在500?600 °C之間。由于反應(yīng)溫度較高，此路線對反應(yīng)容器的要求比較苛刻。而且由于氟化石墨在超過500°C時就會開始發(fā)生分解，而溫度達到560°C時就會迅速分解，釋放出大量氣體。如若反應(yīng)條件控制不夠精確，很容易發(fā)生爆炸，造成安全事故。低溫法是采用可揮發(fā)性齒化物作為插層劑插入石墨層間，再用氟氣將插層劑置換出來。此路線需要的反應(yīng)溫度較低，只需要300°C左右即可完成氟化。但是此方法需要額外增加插層工藝以及插層劑回收工藝，一方面增加了生產(chǎn)成本，另一方面插層劑遇水會生成強酸，很容易對設(shè)備造成腐蝕甚至對人身安全造成傷害。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題而提出，其目的是提供一種催化法制備高純氟化石墨的方法。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種催化法制備高純氟化石墨的方法，包括以下步驟:
(i)預(yù)處理
將質(zhì)量比例為1:0.2?1:2的原料石墨與催化劑即金屬氟化物混合均勻后放入反應(yīng)器中，將反應(yīng)器密封并加壓試漏，在流動惰性氣體環(huán)境下將反應(yīng)器升溫至100?150°C并恒溫I?4h，去除原料石墨和金屬氟化物中的吸附水及其它揮發(fā)性雜質(zhì)；
(? )氟化反應(yīng)
向反應(yīng)器中通入氣體百分比為10?100%的氟氣，并調(diào)整反應(yīng)器的溫度為300?500°C，壓力為0~1.0MPa，反應(yīng)時間為6?24h，原料石墨與氟氣氟化反應(yīng)生成氟化石墨；
(m)尾氣處理
反應(yīng)器停止加熱后，向反應(yīng)爐中通入氮氣進行氣體置換，尾氣中的過量氟氣由木炭轉(zhuǎn)化，尾氣中的氟化氫等酸性氣體由堿石灰吸收；
(iv)產(chǎn)品收集
將步驟(m)中反應(yīng)器內(nèi)的產(chǎn)物置于離子水中快速攪拌、靜置沉淀，產(chǎn)物中的氟化石墨浮于水面，金屬氟化物沉于水底，收集水面上的氟化石墨；
(V )氟化石墨提純
將步驟(iv)中收集的氟化石墨分散在質(zhì)量濃度為10?40 %的氫氟酸溶液中洗滌6?12h并過濾，然后用去離子水進行多次洗滌、過濾、烘干最終得到含氟量為40?64 %，純度99.95%以上的高純氟化石墨；
(vi)催化劑回收
將步驟(iv )中沉淀的金屬氟化物洗滌、過濾和烘干，回收再利用。
[0005]步驟(i )中的原料石墨為鱗片石墨、膨脹石墨、膠體石墨、納米石墨、球形石墨或人造石墨中的一種，原料石墨的純度99.5%以上。
[0006]步驟(i)中的金屬氟化物為氟化鈣、氟化鎂、氟化鋁、氟化鋇、氟化鐵或氟化鋅中的一種，金屬氟化物的純度99.0%以上。
[0007]本發(fā)明通過添加金屬氟化物作為催化劑，使得石墨與氟氣反應(yīng)的活化能降低，從而大大降低了反應(yīng)溫度。本發(fā)明反應(yīng)溫度低，生產(chǎn)成本低，工藝簡單且安全性高，制備的高純氟化石墨中氟含量可以通過調(diào)整反應(yīng)溫度、壓力和時間來靈活調(diào)變，實現(xiàn)了氟化石墨的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。金屬氟化物催化劑難溶于水，可以通過水沉法與氟化石墨分離，實現(xiàn)催化劑回收利用，大大降低了生產(chǎn)成本。
【附圖說明】
[0008]圖1是本發(fā)明的工藝流程圖；
圖2是本發(fā)明的裝置示意圖。
[0009]其中:
1、流量計2、反應(yīng)器
3、轉(zhuǎn)化罐4、堿石灰罐。
【具體實施方式】
[0010]以下，參照附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細說明:
如圖1、2所示，一種催化法制備高純氟化石墨的方法，包括以下步驟:
(i)預(yù)處理
將質(zhì)量比例為1: 0.2?1:2的原料石墨與催化劑即金屬氟化物混合均勻后放入反應(yīng)器器2中，將反應(yīng)器2密封并加壓試漏，在流動惰性氣體環(huán)境下將反應(yīng)器2升溫至100?150°C并恒溫I?4h，去除原料石墨和金屬氟化物中的吸附水及其它揮發(fā)性雜質(zhì)。
[0011](ii)氟化反應(yīng)
向反應(yīng)爐I中通入體積百分比為10?100%的氟氣，并調(diào)整反應(yīng)器2的溫度為300?500°C，壓力為O?1.0MPa，反應(yīng)時間為6?24h，原料石墨與氟氣氟化反應(yīng)生成氟化石墨。
[0012](m)尾氣處理
反應(yīng)器2停止加熱后，向反應(yīng)器2中通入氮氣進行置換，尾氣中的過量氟氣經(jīng)由轉(zhuǎn)化罐3中的碳進行轉(zhuǎn)化，尾氣中的氟化氫等酸性氣體由堿石灰罐4中的堿石灰吸收。
[0013](iv)產(chǎn)品收集
將步驟(m)中反應(yīng)器2內(nèi)的產(chǎn)物置于離子水中快速攪拌、靜置沉淀，產(chǎn)物中的氟化石墨浮于水面，金屬氟化物沉于水底，收集水面上的氟化石墨；
(V )氟化石墨提純
將步驟(iv)中收集的氟化石墨分散在質(zhì)量濃度為10?30 %的氫氟酸溶液中洗滌6?12h并過濾，然后用去離子水進行多次洗滌、過濾、烘干最終得到含氟重量為40?64 %，純度99.95%以上的高純氟化石墨；
(vi)催化劑回收
將步驟(iv )中沉淀的金屬氟化物洗滌、過濾和烘干，回收再利用。
[0014]步驟(i )中的原料石墨為鱗片石墨、膨脹石墨、膠體石墨、納米石墨、球形石墨或人造石墨，原料石墨的純度99.5%以上。
[0015]步驟(i)中的金屬氟化物為氟化鈣、氟化鎂、氟化鋁、氟化鋇、氟化鐵或氟化鋅，金屬氟化物的純度99.0%以上。
[0016]反應(yīng)器2的進氣端設(shè)置有氣體的流量計I和進氣閥門，可以調(diào)整進入反應(yīng)器2中氣體的流速，避免氣速過高而導(dǎo)致粉狀物料跑損。
[0017]反應(yīng)器2上設(shè)置有顯示反應(yīng)器2壓力的壓力表和顯示反應(yīng)器2內(nèi)溫度的熱電偶。
[0018]反應(yīng)器2的排氣端設(shè)置有排氣閥門，能夠調(diào)整尾氣的排放速度。
[0019]實施例1
取鱗片石墨lkg，氟化鋁0.2kg混合均勻后放入反應(yīng)器2中。通入氮氣并升溫至120°C，恒溫Ih去除其中的揮發(fā)性雜質(zhì)。將反應(yīng)器2升溫至300°C，通入體積百分比為10 %的氟氣進行反應(yīng)，反應(yīng)器2內(nèi)壓力為常壓，反應(yīng)1