[發(fā)明專(zhuān)利]一種改性石墨烯及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410588782.5
• 申請(qǐng)日: 2014-10-28
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104401976A
• 公開(kāi)（公告）日: 2015-03-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 葉昀昇;王皓;解孝林;周興平;呂淑君
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): C01B31/04
• 分類(lèi)號(hào): C01B31/04
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專(zhuān)利中心 42201
• 代理人: 曹葆青

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于高分子功能材料領(lǐng)域，更具體地，涉及一種改性石墨烯及其制備方法。

背景技術(shù)

石墨烯是一種有碳原子組成的二維材料，由于它二維結(jié)構(gòu)的特殊性，使其具有質(zhì)量輕且比表面積大等優(yōu)點(diǎn)。除此之外，由于它擁有優(yōu)異的電學(xué)性能、熱學(xué)性能和機(jī)械強(qiáng)度以及一些獨(dú)特的性能，如量子霍爾想要和量子隧道效應(yīng)，使它成為目前非常具有應(yīng)用前景的納米材料。但石墨烯表面沒(méi)有任何官能團(tuán)，片與片之間較強(qiáng)的相互作用導(dǎo)致其容易堆疊，多片石墨烯放在一起時(shí)易形成多層石墨烯結(jié)構(gòu)。這種堆疊的石墨烯結(jié)構(gòu)不僅穩(wěn)定性差，而且降低了石墨烯的比表面積，限制其界面的高效利用，從而影響了它在儲(chǔ)能、催化、復(fù)合材料、電子器件等領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)的性能。除此之外，由于石墨烯既不親水也不親油，加之其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和化學(xué)惰性都阻礙了它的應(yīng)用。因此，單層石墨烯的不穩(wěn)定性及分散問(wèn)題成為制約石墨烯性能進(jìn)一步提升和應(yīng)用領(lǐng)域的瓶頸。

增加石墨烯的分散性主要可以通過(guò)共價(jià)鍵和非共價(jià)鍵包覆來(lái)實(shí)現(xiàn)。共價(jià)鍵包覆主要指在石墨烯表面以共價(jià)鍵的方式接枝大量官能團(tuán)或長(zhǎng)分子鏈，例如將長(zhǎng)鏈烷基胺接枝在石墨烯表面，可以使石墨烯很好的分散在有機(jī)溶劑中(參考J.Am.Chem.Soc.,2006,128,7720–7721.)；將羧基和磺酸基接枝在石墨烯表面可使石墨烯較好的分散在水相中(參考Nature?Nanotech.,2008,3,101–105；Nano?Lett.,2008,8,1679–1682)。但由于共價(jià)鍵包覆一般會(huì)破壞石墨烯表面的規(guī)整度及sp³結(jié)構(gòu)，從而影響了其包括導(dǎo)熱，導(dǎo)電在內(nèi)的多項(xiàng)物理性質(zhì)。一般的非共價(jià)鍵官能團(tuán)化主要是通過(guò)石墨烯體系中的p電子與化合物中的p電子通過(guò)p-p鍵作用或者范德華力作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的。例如將聚(4-苯乙烯磺酸鈉)包覆在石墨烯表面可以使石墨烯分散在水相中(參考J.Mater.Chem.,2006,16,155–158)。由于非共價(jià)鍵包覆既可以增加石墨烯的分散性，也可以最大程度的保持石墨烯表面的規(guī)整度，因此非共價(jià)鍵包覆的方式吸引了國(guó)內(nèi)外大量科學(xué)家的關(guān)注。雖然非共價(jià)鍵包覆相比于共價(jià)鍵包覆有許多優(yōu)勢(shì)，但是目前非共價(jià)鍵包覆都存在著例如包覆率低，包覆步驟復(fù)雜，無(wú)法大量制備等問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種改性石墨烯及其制備方法，其目的在于通過(guò)非共價(jià)鍵的作用，在石墨烯表面修飾高分子材料，使其具有良好的分散性和表面規(guī)整度，由此解決了共價(jià)鍵包覆影響石墨烯物理性質(zhì)的技術(shù)問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種改性石墨烯，所述改性石墨烯包括石墨烯和長(zhǎng)鏈芳香族化合物，所述長(zhǎng)鏈芳香族化合物通過(guò)非共價(jià)鍵相互作用修飾在石墨烯表面，包覆密度在0.7至2.5之間，所述長(zhǎng)鏈芳香族化合物是末端為芳香基團(tuán)的長(zhǎng)鏈高分子，所述長(zhǎng)鏈的相對(duì)分子質(zhì)量在1166～5540，所述長(zhǎng)鏈芳香族化合物的親水親油平衡值在0～18.4之間。

優(yōu)選地，所述改性石墨烯，其長(zhǎng)鏈芳香族化合物具有式(I)的結(jié)構(gòu)：

其中，R₁為芳香基團(tuán)，R₂為高分子長(zhǎng)鏈基團(tuán)。

優(yōu)選地，所述改性石墨烯，其長(zhǎng)鏈芳香族化合物中的R₁為

其中表示與咪唑環(huán)連接鍵。

優(yōu)選地，所述改性石墨烯，其長(zhǎng)鏈芳香族化合物中的R₂為長(zhǎng)鏈烷基、長(zhǎng)鏈鹵代烷基或環(huán)氧化合物開(kāi)環(huán)聚合形成的長(zhǎng)鏈基團(tuán)。

優(yōu)選地，所述改性石墨烯，其所述非共價(jià)鍵相互作用是π-π共軛作用。

按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種改性石墨烯的制備方法，包括以下步驟：

(1)將芳香族小分子化合物、咪唑類(lèi)化合物和4-二甲氨基吡啶，加入到二氯甲烷中，使得芳香族小分子化合物與咪唑類(lèi)化合物的摩爾比在1:2至2:1之間，且芳香族小分子化合物和4-二甲氨基吡啶的摩爾比在1000:1至5:1之間，混合均勻，制得混合溶液A；

(2)向混合溶液A中滴加二環(huán)己基碳二亞胺溶液中，在0-40℃及惰性氣體保護(hù)下反應(yīng)12-24小時(shí)，得到反應(yīng)產(chǎn)物，分離提純后得到化合物B；所述的二環(huán)己基碳二亞胺與混合溶液A中的芳香族小分子化合物的摩爾比為1:2～2:1；

(3)將化合物B與環(huán)氧類(lèi)化合物或聚乙二醇單甲醚衍生物在40-100℃反應(yīng)12-24小時(shí)，得到高分子C；化合物B與環(huán)氧類(lèi)化合物的摩爾比為1:10～1:40；步驟(2)反應(yīng)提純后的物質(zhì)與聚乙二醇單甲醚衍生物的摩爾比為1:1～1:3；