[發(fā)明專利]制備官能化的石墨烯的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201280036465.1
• 申請(qǐng)日: 2012-07-24
• 公開（公告）號(hào): CN103717529B
• 公開（公告）日: 2017-05-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: A·K·薩達(dá)那
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 貝克休斯公司
• 主分類號(hào): C01B32/194
• 分類號(hào): C01B32/194;B82B3/00;B82B1/00
• 代理公司: 中國國際貿(mào)易促進(jìn)委員會(huì)專利商標(biāo)事務(wù)所11038
• 代理人: 柳冀

交叉引用的相關(guān)申請(qǐng)

本申請(qǐng)要求2011年8月4日提交的美國申請(qǐng)No.13/198342的權(quán)益，其在此整體引入作為參考。

發(fā)明背景

納米顆粒通常在多種新應(yīng)用中獲得了越來越多的應(yīng)用，從具有不同物理性能的復(fù)合材料到改進(jìn)的電子裝置。隨著納米顆粒的實(shí)用性的增加和成本的降低(其與幾年前相比變得可以以相對(duì)量利用)，在調(diào)整納米顆粒的性能來進(jìn)一步適應(yīng)更高級(jí)的應(yīng)用所需方面更令人感興趣。

已經(jīng)檢查了衍生納米顆粒來改變它們的性能和調(diào)整它們的環(huán)境相互作用，用于反應(yīng)性和合適的條件，包括碳質(zhì)納米顆粒(例如納米管、納米石墨、炭黑等)的那些。例如，美國專利申請(qǐng)公開No.2010/0592463公開了在還原性烷基化(有時(shí)候在本領(lǐng)域中稱作還原性胺化)條件下衍生碳粒子，包括納米管。但是，使用了在液氨中溶解金屬的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)的這種反應(yīng)，需要低溫，并且通常不易于規(guī)模化。此外，液氨會(huì)與某些官能團(tuán)(例如酯、酸酐和酰基氯)反應(yīng)，因此與這些官能團(tuán)不相容。

發(fā)明內(nèi)容

現(xiàn)有技術(shù)中上面和其他的缺點(diǎn)可以通過在一個(gè)實(shí)施方案中，一種制備官能化的石墨烯的方法來克服，該方法包括在配位溶劑存在下，用堿金屬處理石墨烯，和加入官能化化合物。

在另一實(shí)施方案中，一種制備官能化的石墨烯的方法包括將堿金屬溶解在配位溶劑中，加入石墨烯，和加入官能化化合物。

在另一實(shí)施方案中，一種制備官能化的石墨烯的方法包括將四氫呋喃與萘合并，將堿金屬溶解在四氫呋喃和萘的合并物中，加入石墨 烯，和加入官能化化合物。

具體實(shí)施方式

這里公開的是一種官能化的石墨烯的新方法。在該方法中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)石墨烯(其具有類似于納米管的延伸的π電子系統(tǒng)，但是在該延伸的系統(tǒng)中不具有散布的五元環(huán))可以使用溶解金屬的技術(shù)來衍生，而不需要使用液氨來溶解該金屬(即，堿金屬)。代替的，使用配位溶劑(例如醚，如四氫呋喃)來幫助溶解和來穩(wěn)定金屬化的石墨烯中間體。另外，包括芳烴(例如萘)作為電子轉(zhuǎn)移劑，來將電子從堿金屬(例如鈉)轉(zhuǎn)移到石墨烯，和將所形成的陰離子用陰離子反應(yīng)性化合物處理，來進(jìn)行改性。以此方式，通過改進(jìn)的Birch還原來官能化石墨烯，而不使用氨或者其他胺溶劑，特別是伯胺或者仲胺。所得到的方法是一種通用的、更安全和可更大規(guī)模化的方法，用于石墨烯官能化。

該制備官能化的石墨烯的方法因此包括在配位溶劑存在下用堿金屬處理石墨烯，和加入官能化化合物。

根據(jù)這里公開的方法來衍生石墨烯，包括納米石墨烯和石墨烯纖維。石墨烯和納米石墨烯實(shí)際上是標(biāo)稱厚度的二維顆粒，具有一層或多層的稠合的碳原子六邊形環(huán)，其具有延伸的離域的π電子系統(tǒng)，通過π-π堆疊相互作用而分層和彼此弱鍵合。通常石墨烯(包括納米石墨烯)可以在一個(gè)實(shí)施方案中是這種延伸的碳環(huán)的單片，或者在另一實(shí)施方案中是這種延伸的碳環(huán)的幾個(gè)片的堆疊體。在一些實(shí)施方案中，該片具有微米級(jí)尺寸(即，平均粒度小于約1μm)；納米級(jí)尺寸(即，平均粒度大于或等于約1μm)；或者微米級(jí)和納米級(jí)尺寸二者。作為此處使用的，“平均粒度”指的是基于顆粒的最大線性維度(有時(shí)候稱作“直徑”)的數(shù)均粒度。粒度(包括平均的、最大的和最小的粒度)可以通過適當(dāng)?shù)臏y定粒子尺寸的方法來測定，例如使用激光光源的靜態(tài)或者動(dòng)態(tài)光散射(SLS或DLS)。

例如，在一些實(shí)施方案中，石墨烯的平均粒度是約1-約20μm，具體地約1-約15μm，和處于納米級(jí)尺寸的平均厚度(最小)尺寸小于或 等于約50nm，具體地小于或等于約25nm，和更具體地小于或等于約10nm。一種示例性的納米石墨烯的平均粒度是約1-10μm，和具體地2-8μm。

不同平均粒度的石墨烯是有用的，以此方式，石墨烯的粒度分布是單峰的(表現(xiàn)出單個(gè)分布)，表現(xiàn)出兩個(gè)分布的雙峰或者表現(xiàn)出大于一個(gè)粒度分布的多峰。例如，較小的納米石墨烯(小于約250nm和包括亞微米尺寸的石墨烯(約250nm-小于約1μm))可以與平均粒度大于或等于1μm的石墨烯合并。石墨烯纖維(即，平均最大尺寸大于1mm和長寬比大于10的石墨烯顆粒，這里該石墨烯顆粒形成了相互鍵合的鏈)也使用這里公開的方法來官能化。

石墨烯可以是多種維度的，二維長寬比(即，在假定的厚度下長度與寬度之比；直徑與厚度之比；或者對(duì)于片狀石墨烯來說，表面積與橫截面積之比)主要地大于或等于10，具體地大于或等于100，更具體地大于或等于200，和仍然更具體地大于或等于500。類似地，二維長寬比小于或等于10,000，具體地小于或等于5,000，和仍然更具體的小于或等于1,000。