[发明专利]一种制备功能化碳材料的方法

说明书

本发明涉及一种制备功能化碳材料的方法，属于新材料技术领域。本发明用高铁酸钾在研磨的机械力作用下对碳材料进行氧化，得到带含氧官能团的功能化碳材料。与现有技术相比，本发明采用了“绿色氧化剂+绿色反应工艺”的制备方法。一方面，所使用的氧化剂高铁酸钾是绿色无害的氧化剂，另一方面，该反应无需任何溶剂，依靠机械力的作用使碳材料和氧化剂细化混合并经过碰撞和摩擦发生反应。本发明采用绿色氧化剂，并且无需任何溶剂，因此是一种环保型功能化碳材料的制备方法，推广价值大。

技术领域

本发明涉及一种制备功能化碳材料的方法，属于新材料技术领域。

背景技术

碳材料，包括传统的石墨、金刚石、炭黑、玻璃碳、活性炭、碳纤维等，以及近几十年来备受关注的富勒烯、碳葱、碳纳米管、石墨烯、石墨炔和其他以碳为主要元素的无机材料，因其丰富的结构和独特的性能而具有基础研究的重要意义和高新技术应用的巨大价值。为了改善碳材料的性质，满足应用上的需要，我们往往要对其进行功能化改性，鉴于此，化学功能化成为了研究碳材料时所关注的一个核心科学技术问题。

化学氧化法是使用最广泛，发展最成熟的功能化方法，在碳材料的基础研究与应用中发挥非常重要的作用：(1)氧化处理克服碳纳米材料的自发团聚，增加其在溶液中的分散性，从而为溶液加工奠定基础；(2)氧化反应引入官能团，改善碳材料的表面化学性质，并为碳材料的进一步功能化提供起始活性位点；(3)氧化法功能化的碳材料以及由此衍生的功能材料已被商业化生产和应用。

然而，目前广泛采用的化学氧化法违背了绿色化学的基本原则，存在严重的环境污染问题：(1)所使用的氧化剂(如KMnO₄，HNO₃)转化为毒性重金属离子(如Mn²⁺)或产生有毒有害气体(如N_xO_y)；(2)以大量的浓硫酸为反应介质，产生大量酸性废液，并给实验操作带来安全隐患。以碳纳米管的氧化为例，广大研究者普遍采用以KMnO₄和HNO₃为氧化剂，以硫酸为反应介质的液相氧化，而且这些氧化方法已被我国的中科时代纳米(KMnO₄/H₂SO₄)，国外的US Research Nanomaterials(KMnO₄/H₂SO₄)、Nanolab(HNO₃/H₂SO₄)和Carbon Solutions(HNO₃)等公司用于工业化生产。对于氧化石墨烯的制备，Hummers法及其改进工艺是实验室和工业界普遍采用的方法，该法也以KMnO₄为主要氧化剂，以浓硫酸为反应介质。

全世界有庞大的碳材料研究队伍，而且工业上基于氧化法制备的功能化碳材料的产量日益增长，可想而知，传统的化学氧化处理带来的水体、空气污染不容小觑，开发绿色环保的氧化方法迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种“绿色氧化剂+绿色氧化工艺”的技术方案，即以高铁酸钾为氧化剂，使用无溶剂的机械力化学技术，实现了制备功能化碳材料的绿色氧化。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种制备功能化碳材料的方法，将碳材料和高铁酸钾进行研磨反应，得到功能化碳材料，具体包括以下步骤：

第一步：将碳材料和高铁酸钾进行研磨反应；

第二步：对反应后得到的物料进行洗涤，除去铁盐等杂质，得到氧化的碳材料。

进一步地，所述的功能化碳材料为带含氧官能团的碳材料。

进一步地，所述的碳材料包括碳纳米管、富勒烯、石墨烯、石墨、碳纤维、活性炭、玻璃碳、炭黑、碳洋葱和金刚石等，以及其他以碳为主要元素的无机材料，优选为碳纳米管。