[发明专利]一种石墨二炔薄膜及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种石墨二炔薄膜及其制备方法和应用，其前体为六(溴代乙炔基)苯，该方法包括以下步骤：(1)将溶剂注入放有六(溴代乙炔基)苯和含铜基底的反应器中；(2)向反应器中滴加碱溶液，在惰性气氛保护下搅拌，进行脱溴偶联反应；(3)反应结束后，基底表面生成一层黑色的半透明薄膜，用丙酮和N,N‑二甲基甲酰胺冲洗基底表面，得到黑色的石墨二炔薄膜，该薄膜应用于催化材料、能源材料或电极材料。与现有技术相比，本发明的制备方法，单体分子在空气中更稳定，反应活性更高，能够稳定且高效地进行偶联反应，极大缩短了反应时间，可在室温下反应，无需额外加热，能够极大程度地节省能源以及避免加热所导致的有机溶剂挥发问题。

技术领域

本发明涉及碳材料领域，具体涉及一种石墨二炔薄膜及其制备方法和应用。

背景技术

有关于石墨炔，著名理论物理学家Baughman于1987年就预测了石墨炔家族的存在并且提出其为一系列含量大量sp杂化碳原子，结构高度规则且极其稳定的新型碳同素异形体。该材料在结构上同时具有石墨以及乙炔的特点，因此将其命名为石墨炔(Graphyne，GDY)。石墨炔从提出之日就引起了全世界各国科学家的重视，但以往的尝试只得到了石墨炔的结构碎片。直到2010年，中国科学院的李玉良院士团队首次成功制备出大面积石墨二炔薄膜，让石墨炔研究从理论走向了实验，让中国在石墨炔材料的研究领域走在了世界的最前沿。自此之后，有关于石墨炔各方面的研究也快速推进，其展现了有别于石墨烯独特且优良的性质，在光电、能源、催化等领域都具有巨大的应用前景。

有关于石墨炔及其衍生物的制备方法近年来层出不穷，其中以溶液化学法以及表面化学法最为常见。利用单体在溶液中的偶联反应，使其在基底上生长得到石墨炔薄膜是目前溶液化学法的常用手段。根据单体的不同，可以将溶液化学法制备分为：末端炔氢的偶联反应以及末端炔三甲基硅的偶联反应。末端炔氢单体的反应速度快且偶联效率高，但由于炔基官能团极其活泼，单体极易氧化变质，且反应往往需要加热至高温。由于三甲基硅基的保护，前体分子的稳定性大大提高且不会因为基团数量的增多而明显降低。但是末端炔三甲基硅基团的反应活性远低于末端炔氢，偶联过程常伴随着不高的产率以及大量副反应及副产物的产生。基于以上两类单体及起偶联反应的特点，寻找到一类稳定高同时反应活性又较高的全新官能团是目前该领域研究的重点。除溶液法外，也有利用高温直接将单体分子沉积在金属基底表面生长碳骨架结构的成功案例，但其中化学气相沉积法需要将末端炔氢单体加热，导致得到的石墨炔薄膜存在大量缺陷。

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降低成本以及难度的石墨二炔薄膜及其制备方法和应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明是针对目前石墨二炔所选用的前体分子大气稳定性差、反应条件苛刻、反应时间漫长的问题而进行的，目的在于提出一种全新的石墨二炔薄膜的制备方法，来降低石墨二炔材料制备的成本以及难度，具体方案如下：

一种石墨二炔前体，该前体为六(溴代乙炔基)苯，其结构式为：

一种如上所述的石墨二炔前体的制备方法，该方法为：将六乙炔基苯与N-溴代琥珀亚酰胺和硝酸银在溶剂环境下反应后，稀释，分离得到六(溴代乙炔基)苯。

进一步地，所述的六乙炔基苯、N-溴代琥珀亚酰胺和硝酸银的摩尔比为(0.006-0.007):(0.4-0.5):(0.005-0.010)。

进一步地，所述的反应时间为1.5-2.5h。

一种如上所述石墨二炔前体的应用，该前体应用于石墨二炔薄膜的制备，该方法为：将六(溴代乙炔基)苯溶于溶剂，在碱性环境中，铜的催化作用下，六(溴代乙炔基)苯在基底表面发生脱溴偶联反应，得到石墨二炔薄膜，反应式如下：

进一步地，所述的脱溴偶联反应在惰性气氛保护下进行。惰性气体为氮气。