[发明专利]一种可分散于有机溶剂石墨烯的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种可分散于有机溶剂石墨烯的制备方法。

背景技术

石墨烯，即单层石墨，是由sp2杂化碳原子相互连接构成的具有单分子层厚二维蜂窝状结构的新型碳材料。由于其特殊的结构，石墨烯具有众多特殊的物理特性和超乎寻常的导电、导热、光学和力学性能，在电子学、结构材料、储能材料、催化材料、传感材料等方面具有巨大的应用前景。自从2004年被发现以来，围绕石墨烯的基础和应用研究正在世界各国如火如荼地展开。

但是，要实现石墨烯的实用化，首先必须解决其宏量可控的制备方法。目前已开发的石墨烯制备方法主要包括机械剥离法(Novoselov，K.S.；Geim，A.K.；Morozov，S.V.；Jiang，D.；Zhang，Y.；Dubonos，S.V.；Grigorieva，I.V.；Firsov，A.A.Science 2004，306，666-669.)、溶液剥离法(Bourlinos，A.B.；Georgakilas，V.；Zboril，R.；Steriotis，T.A.；Stubos，A.K.Small 2009，5，1841-1845.)、外延生长碳化硅法(Berger，C.；Song，Z.M.；Li，X.B.；Wu，X.S.；Brown，N.；Naud，C.；Mayou，D.；Li，T.B.；Hass，J.；Marchenkov，A.N.；Conrad，E.H.；First，P.N.；de Heer，W.A.Science2006，312，1191-1196.)、化学气相沉积法(Kim，K.S.；Zhao，Y.；Jang，H.；Lee，S.Y.；Kim，J.M.；Kim，K.S.；Ahn，J.-H.Kim，P.；Choi，J.-Y.；Hong，B.H.Nature 2009，457，706-710.)和石墨的氧化还原法(Stankovich，S.；Dikin，D.A.；Dommett，G.H.B.；Kohlhaas，K.M.；Zimney，E.J.；Stach，E.A.；Piner，R.D.；Nguyen，S.T.；Ruoff，R.S.Nature 2006，442，282-286.)。但是，前四种方法制备的石墨烯具有较高的质量，但是由于产率低下，难以达到宏量制备的目的。相比之下，石墨的氧化还原法是目前唯一可能实现石墨烯大规模制备的可行方案。石墨的氧化还原法，就是利用强酸和强氧化剂氧化石墨，在石墨片层引入大量的含氧亲水功能团，经过剥离，得到可分散于水的单层氧化石墨烯，而后利用还原剂去处氧化石墨烯上大部分的含氧基团，恢复石墨烯的二维共轭结构。由于石墨烯片层间具有很强的相互作用，因此氧化石墨烯还原时得到的石墨烯非常容易重新凝聚成石墨。目前，解决这一问题主要是通过添加大量表面活性剂或聚合物稳定剂(Stankovich，S.；Dikin，D.A.；Dommett，G.H.B.；Kohlhaas，K.M.；Zimney，E.J.；Stach，E.A.；Piner，R.D.；Nguyen，S.T.；Ruoff，R.S.Nature 2006，442，282-286.)和接枝亲水性聚合物(Salavagione，H.J.；.Gómez，M.A.；Martínez，G.Macromolecules 2009，42，6331-6334.)来解决。但是，效果并不理想。而且，制备所得的石墨烯也只能分散于水中，不能分散于大多数的非极性有机溶剂中。但是，石墨烯的有些应用，如微纳器件的制备，极需可分散于有机溶剂的石墨烯。而且，通常制备的石墨烯溶胶由于不能进一步纯化，常含有过量的还原剂及其他杂质，从而妨碍了石墨烯的应用。因此，如何制备有机溶剂可分散的、纯净的石墨烯，是该领域尚未解决的难题

发明内容

本发明所要解决的第一个技术难题是针对上述的技术现状提供一种可稳定分散于有机溶剂中纯净石墨烯的制备方法。

本发明所要解决的第二个技术难题是提供一种纯净石墨烯的溶液相制备方法。

本发明解决以上技术难题所采用的技术方案包括以下几个步骤：

(1)氧化石墨烯接枝树枝状取代基：将氧化石墨烯分散(例如采用超声分散)于的氯化亚砜溶液中，加入少许N，N-二甲基甲酰胺，回流1-5天。然后除去过量的氯化亚砜(例如将过量的氯化亚砜减压蒸馏出来)，加入一定量的N，N-二甲基甲酰胺，带树枝状结构的胺类或醇类化合物和少量的三乙胺，升温至80-160℃，反应(可搅拌)1-6天。产物经过滤洗涤干燥，例如用0.22微米的聚四氟乙烯膜过滤反应混合物，并用氯仿和无水乙醇洗滤饼，干燥后得到接枝树枝状结构的氧化石墨烯。