[发明专利]强酸性离子液体功能化的纳米多孔石墨烯材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料科学技术领域，特别涉及一种强酸性离子液体功能化的纳米多孔石墨烯材料的制备方法。

背景技术

自从2010年诺贝尔物理学奖授予A.Geim and K.Novoselov两位学者以表彰他们在石墨烯领域的杰出工作以来，石墨烯及其相关纳米材料成为最近几年纳米科学和材料科学研究最为热点的课题之一。石墨烯材料具有优异的热稳定性和机械稳定性、独特的导电性和在多种体系中优异的分散性，目前被广泛应用于纳米光电器件、传感器、吸附材料、催化及能量存储等领域。

从多相催化的角度来讲，石墨烯及其相关纳米材料是一类理想材料，主要原因在于其优异的稳定性、独特的二维层状结构和超大的理论比表面积，上述特点大大促进了催化过程中反应物的传质和产物的快速扩散。然而，目前报道的石墨烯材料比表面积一般很低，主要原因在于石墨烯片层之间经常发生缔合作用，进而导致暴露的比表面积量大大下降。因此，如何有效的对石墨烯材料进行开层进而制备大比表面积的纳米多孔石墨烯材料对于其在催化领域中广泛的应用具有重要的研究意义。同时，目前报道的石墨烯材料及其在催化领域中的应用主要集中在金属负载型石墨烯类催化材料，主要应用于光催化，催化氧化，加氢等反应。目前为止，通过简单方法制备大比表面积的纳米多孔石墨烯材料仍然是一个挑战。

发明内容

本发明为了克服传统石墨烯制备过程中步骤复杂，高成本且制备的石墨烯材料比表面积低等缺点，提供一种大比表面积，丰富介孔结构、强酸性离子液体功能化的纳米多孔石墨烯材料的制备方法。

为了实现上述目的，本发明提供一种强酸性离子液体功能化的纳米多孔石墨烯材料的制备方法，包括如下步骤：a.选择三聚氰胺和葡萄糖或者二氰二胺和葡萄糖作为石墨烯前驱体，室温条件下研磨，使二者混合均匀，于30-90℃条件下真空蒸馏除表面吸附的水，然后在氮气条件下高温炭化，得到氮掺杂的纳米多孔石墨烯材料，其中葡萄糖与三聚氰胺的质量比为1/10-1/80，最高炭化温度为800-1000℃，在最高炭化温度下保持炭化2小时。b.将步骤a中制备的氮掺杂的纳米多孔石墨烯材料通过季胺化试剂处理实现骨架上氮的季胺化反应，

形成离子液体的基本结构，其中季胺化反应温度为室温-120℃，季胺化反应时间为24小时，季胺化试剂的质量为骨架上氮元素质量的2倍。c.将步骤b中得到的季胺化的纳米多孔石墨烯材料通过酸交换试剂进行强酸交换，然后在二氯甲烷溶液中洗涤2次，真空干燥制备强酸性离子液体功能化的纳米多孔石墨烯材料，其中酸交换过程温度保持在0-25℃，交换时间为24-36小时，酸交换试剂的物质的量为骨架上氮元素物质的量的3-5倍。

于本发明的一实施例中，步骤a中室温研磨的时间为20分钟。

于本发明的一实施例中，步骤a中真空除水的温度为60℃，真空除水的时间为2小时。

于本发明的一实施例中，步骤a中葡萄糖与三聚氰胺质量比为1/40。

于本发明的一实施例中，步骤a中高温炭化过程中升温速率为1.5-5℃/min。

于本发明的一实施例中，步骤a中高温炭化过程中升温速率为3℃/min。

于本发明的一实施例中，步骤a中高温炭化过程中在600℃保持炭化2小时。

于本发明的一实施例中，步骤b中的季胺化试剂为1,3-丙烷磺内酯、1,4-丁烷磺内酯、碘甲烷、溴乙烷、或正溴丁烷。

于本发明的一实施例中，步骤c中的酸交换试剂为硫酸、三氟甲磺酸、磷钨酸、六氟磷酸、或氟硼酸。

综上所述，本发明以低成本的葡萄糖和三聚氰胺或二氰二胺为原料，通过简单的一步炭化即可实现大比表面积的氮掺杂的纳米多孔石墨烯材料的制备，为简单、低成本纳米多孔石墨烯材料提供了新方法。骨架中氮的存在保证了离子液体基团的简单引入。同时利用1,3-丙烷磺内酯，1,4-丁烷磺内酯等对材料骨架中的氮进行季胺化反应，再经过进一步的强酸交换，即可实现强酸性离子液体功能化的纳米多孔石墨烯材料的简单合成。简单测试表面，功能化强酸性离子液体基团后材料保持着丰富的纳米多孔结构和大的比表面积。该材料的成本制备对于开发简单方法制备纳米多孔石墨烯材料具有重要的潜在应用价值，大大拓展了石墨烯材料在多相酸催化领域中的广泛应用。本发明对于石墨烯及其相关材料在多相催化领域的广泛应用具有重要的理论意义和实际应用价值。

为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明