專(zhuān)利名稱(chēng)：一種可分散于有機(jī)溶劑石墨烯的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可分散于有機(jī)溶劑石墨烯的制備方法。
背景技術(shù)：
石墨烯，即單層石墨，是由sp2雜化碳原子相互連接構(gòu)成的具有單分子層厚二維 蜂窩狀結(jié)構(gòu)的新型碳材料。由于其特殊的結(jié)構(gòu)，石墨烯具有眾多特殊的物理特性和超乎尋 常的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、光學(xué)和力學(xué)性能，在電子學(xué)、結(jié)構(gòu)材料、儲(chǔ)能材料、催化材料、傳感材料等方 面具有巨大的應(yīng)用前景。自從2004年被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，圍繞石墨烯的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究正在世界 各國(guó)如火如荼地展開(kāi)。但是，要實(shí)現(xiàn)石墨烯的實(shí)用化，首先必須解決其宏量可控的制備方法。目前已開(kāi) 發(fā)的石墨烯制備方法主要包括機(jī)械剝離法(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.)、溶液剝離法(Bourlinos，A. B. ；Georgakilas, V. ；Zboril，R. ；Steriotis, Τ. Α.； Stubos, Α. K. Small 2009，5，1841-1845.)、外延生長(zhǎng)碳化硅法(Berger，C. ；Song, Ζ. Μ. ；Li, Χ. B. ；ffu, Χ. S. ；Brown, N. ；Naud, C. ；Mayou, D. ；Li, Τ. B. ；Hass, J. ；Marchenkov, Α. N.； Conrad, Ε. H. ；First, P. N. ；de Heer，W. A. Science2006，312，1191-1196.)、化學(xué)氣相沉積法 (Kim, K. S. ；Zhao, Y. ；Jang, H. ；Lee, S. Y. ；Kim, J. Μ. ；Kim, K. S. ；Ahn, J. -H. Kim, P. ；Choi, J. -Y. ；Hong, B. H. Nature 2009，457，706-710.)和石墨的氧化還原法(Stankovich, S.； Dikin, D. Α. ；Dommett, G. H. B. ；Kohlhaas, K. Μ. ；Zimney, Ε. J. ；Stach, Ε. Α. ；Piner, R. D.； Nguyen, S. Τ. ；Ruoff，R. S. Nature 2006，442，282-286.)。但是，前四種方法制備的石墨烯 具有較高的質(zhì)量，但是由于產(chǎn)率低下，難以達(dá)到宏量制備的目的。相比之下，石墨的氧化還 原法是目前唯一可能實(shí)現(xiàn)石墨烯大規(guī)模制備的可行方案。石墨的氧化還原法，就是利用強(qiáng) 酸和強(qiáng)氧化劑氧化石墨，在石墨片層引入大量的含氧親水功能團(tuán)，經(jīng)過(guò)剝離，得到可分散于 水的單層氧化石墨烯，而后利用還原劑去處氧化石墨烯上大部分的含氧基團(tuán)，恢復(fù)石墨烯 的二維共軛結(jié)構(gòu)。由于石墨烯片層間具有很強(qiáng)的相互作用，因此氧化石墨烯還原時(shí)得到的 石墨烯非常容易重新凝聚成石墨。目前，解決這一問(wèn)題主要是通過(guò)添加大量表面活性劑或 M^^WMM (Stankovich, S. ；Dikin, D. A. ；Dommett, G. H. B. ；Kohlhaas, K. M. ；Zimney, E. J. ；Stach, Ε. A. ；Piner, R. D. ；Nguyen, S. Τ. ；Ruoff, R. S. Nature 2006，442，282-286.) 禾口接枝親水性聚合物(Salavagione, H.J. ；. Gomez, Μ. Α. ；Martinez, G. Macromolecules 2009，42，6331-6334.)來(lái)解決。但是，效果并不理想。而且，制備所得的石墨烯也只能分散 于水中，不能分散于大多數(shù)的非極性有機(jī)溶劑中。但是，石墨烯的有些應(yīng)用，如微納器件的 制備，極需可分散于有機(jī)溶劑的石墨烯。而且，通常制備的石墨烯溶膠由于不能進(jìn)一步純 化，常含有過(guò)量的還原劑及其他雜質(zhì)，從而妨礙了石墨烯的應(yīng)用。因此，如何制備有機(jī)溶劑 可分散的、純凈的石墨烯，是該領(lǐng)域尚未解決的難題

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的第一個(gè)技術(shù)難題是針對(duì)上述的技術(shù)現(xiàn)狀提供一種可穩(wěn)定分散 于有機(jī)溶劑中純凈石墨烯的制備方法。本發(fā)明所要解決的第二個(gè)技術(shù)難題是提供一種純凈石墨烯的溶液相制備方法。本發(fā)明解決以上技術(shù)難題所采用的技術(shù)方案包括以下幾個(gè)步驟(1)氧化石墨烯接枝樹(shù)枝狀取代基將氧化石墨烯分散(例如采用超聲分散)于 的氯化亞砜溶液中，加入少許N，N-二甲基甲酰胺，回流1-5天。然后除去過(guò)量的氯化亞砜 (例如將過(guò)量的氯化亞砜減壓蒸餾出來(lái))，加入一定量的N，N- 二甲基甲酰胺，帶樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu) 的胺類(lèi)或醇類(lèi)化合物和少量的三乙胺，升溫至80-160°C，反應(yīng)(可攪拌)1-6天。產(chǎn)物經(jīng)過(guò) 濾洗滌干燥，例如用0. 22微米的聚四氟乙烯膜過(guò)濾反應(yīng)混合物，并用氯仿和無(wú)水乙醇洗濾 餅，干燥后得到接枝樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)的氧化石墨烯。各加入物質(zhì)的質(zhì)量比氯化亞砜N，N- 二甲基甲酰胺帶樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)的胺類(lèi)或 醇類(lèi)化合物三乙胺氧化石墨烯=(30-100) (20-80) (0. 5-5) (0.2-5) 1。(2)氧化石墨烯的化學(xué)還原將接枝樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)的氧化石墨烯充分分散于有機(jī)溶 劑中，并加入水合胼，回流10-48小時(shí)，產(chǎn)物經(jīng)過(guò)濾洗滌干燥，例如用0. 22微米的聚四氟乙 烯膜過(guò)濾，并用無(wú)水乙醇充分洗滌濾餅，干燥后得到石墨烯。各加入物質(zhì)的質(zhì)量比水合胼接枝樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)的氧化石墨烯=20-5 1。步驟(1)中所述的帶樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)的胺類(lèi)或醇類(lèi)化合物的分子式通式如下所示 其中，X為對(duì)胺基苯氧基、胺基或羥基，SG為表面基團(tuán)，為Cl C30的直鏈或支鏈 的烷基、Cl C30的直鏈或支鏈的烷氧基或寡聚氧化乙烯基，η為0 5的整數(shù)，BU選自如 下所示的支化的重復(fù)單元 進(jìn)一步推薦SG為ClO C20的直鏈或支鏈的烷基、ClO C20的直鏈或支鏈的烷 氧基或寡聚氧化乙烯基，η為0 3的整數(shù)，進(jìn)一步，步驟(1)中所述的帶樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)的胺類(lèi)或醇類(lèi)化合物為如下所示的帶樹(shù) 枝狀結(jié)構(gòu)的苯胺化合物。 步驟(1)的氧化石墨烯通過(guò)如下方法制備。石墨氧化將石墨加入到強(qiáng)氧化酸和 硝酸鹽的混合液中，攪拌均勻后加入強(qiáng)氧化劑，在20-50°C反應(yīng)(可攪拌)0. 5-4小時(shí)。隨 后，加入水，使體系升溫至80-10(TC，反應(yīng)(可攪拌)10-60mino接著加入水和雙氧水，攪拌， 過(guò)濾，大量水洗，除去各種無(wú)機(jī)離子，干燥后得到氧化石墨烯。各加入物質(zhì)的質(zhì)量比強(qiáng)酸硝酸鹽強(qiáng)氧化劑雙氧水石墨= (30-70) (0.2-1) (1-6) (5-15) 1。所述的強(qiáng)氧化酸為濃硫酸或高氯酸，所述的強(qiáng)氧化劑為高錳酸鉀或高氯酸鉀。步驟(2)所述的有機(jī)溶劑是鹵代烴(比如氯仿、二氯甲烷、二氯乙烷)、芳烴溶劑 (比如甲苯、苯、氯苯、二氯苯)、酮類(lèi)溶劑(比如丙酮)或醚類(lèi)溶劑(比如THF，二氧六環(huán))。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(1)利用體積龐大的樹(shù)枝狀取代基功能化 氧化石墨烯，使得到的氧化石墨烯可分散于鹵代烴(比如氯仿、二氯甲烷、二氯乙烷)、芳烴 溶劑(比如甲苯、苯、氯苯、二氯苯)、酮類(lèi)溶劑(比如丙酮)或醚類(lèi)溶劑(比如THF，二氧六 環(huán))；(2)龐大的樹(shù)枝狀取代基的存在，使氧化石墨烯在還原時(shí)不會(huì)產(chǎn)生凝聚，從而得到具 有優(yōu)異溶劑分散性能的石墨烯，所得的石墨烯可分散于鹵代烴(比如氯仿、二氯甲烷、二氯 乙烷)、芳烴溶劑(比如甲苯、苯、氯苯、二氯苯)、酮類(lèi)溶劑(比如丙酮)和醚類(lèi)溶劑(比如 THF，二氧六環(huán))；(3)利用濾膜分離制備的石墨烯，并利用洗滌方式除去制備過(guò)程中過(guò)剩的 反應(yīng)劑及其他雜質(zhì)，從而得到純凈的石墨烯；(4)所得的石墨烯為粉末狀產(chǎn)品，便于存儲(chǔ)和 運(yùn)輸，而且可以隨時(shí)按照需要將石墨烯粉末重新分散于溶劑中，得到純凈的石墨烯分散液， 整個(gè)過(guò)程簡(jiǎn)單方便。總之，本發(fā)明所闡述的有機(jī)溶劑可分散的石墨烯的溶液制備法，整體工 藝簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)，選用的帶樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)的胺類(lèi)或醇類(lèi)化合物易于合成，適合宏量制備的 需要。


圖1 氧化石墨烯G0，接枝樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)的氧化石墨烯Dn-GO和經(jīng)水合胼還原得到的 石墨烯Dn-RGO的元素分析；圖2 (a)氧化石墨烯GO和接枝樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)的氧化石墨烯Dn-GO的IR譜圖；(b)經(jīng) 水合胼還原得到的石墨烯Dn-RGO的IR譜圖；圖3 (a)氧化石墨烯GO的XPS能譜；(b)經(jīng)水合胼還原得到的石墨烯D1-RGO的 XPS能譜； 圖4 經(jīng)水合胼還原得到的石墨烯的TEM譜圖(a) D0-RGO, (b) D1-RGO, (c) D2-RGO, (d) D3-RGO,圖5 (a)接枝樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)的氧化石墨烯Dn-GO分散于的氯仿的照片；(b)接枝樹(shù) 枝狀結(jié)構(gòu)的氧化石墨烯Dn-GO在氯仿中的分散度隨時(shí)間變化；圖6 (a)經(jīng)水合胼還原得到的石墨烯Dn-RGO分散于的氯仿的照片；(b)經(jīng)水合胼 還原得到的石墨烯Dn-RGO在氯仿中的分散度隨時(shí)間變化；
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的闡述。實(shí)施例I-石墨烯的制備第一步，在一潔凈燒杯加入120mL的濃硫酸，并放置于冰水浴中冷至0°C，向其中 加入5g鱗片狀石墨和2. 5g硝酸鈉，攪拌5min后在分批加入15g高錳酸鉀，控制體系溫度不 超過(guò)20°C，攪拌2h后，升溫至35°C在攪拌30min。向體系中連續(xù)滴加250mL的去離子水使 溫度迅速升至98°C左右，攪拌30min。在加入500mL的去離子水和50mL 30% (質(zhì)量濃度) 雙氧水使反應(yīng)中止，攪拌5min后停止。靜置過(guò)夜待氧化石墨烯顆粒沉降后，除去上清液。然 后再在0. 22微米的聚四氟乙烯的膜過(guò)濾，大量水洗除去各種離子，直至在濾液中加入飽和氯 化鋇溶液無(wú)白色沉淀生成為止，放在80°C真空干燥箱中24h，得到氧化石墨烯，記為GO。第二步，稱(chēng)取Ig氧化石墨烯分散于50mL的氯化亞砜中，加入ImL的N，N- 二甲基 酰胺，加熱回流3天后，減壓蒸餾除去多余的氯化亞砜，然后加入50mL新蒸的N，N- 二甲基 酰胺，加入1. 141 g苯胺化合物Dtl-NH2，2mL新蒸的三乙胺，加熱至120°C反應(yīng)4天，停止反應(yīng)。 將反應(yīng)體系經(jīng)過(guò)0. 22微米的聚四氟乙烯的膜過(guò)濾，并用大量的氯仿和無(wú)水乙醇充分洗滌 濾餅，干燥后得到帶樹(shù)枝狀取代基的氧化石墨烯，產(chǎn)物名稱(chēng)記為Dci-GO15第三步，稱(chēng)取150mg的Dtl-GO,充分分散于IOmL氯仿中，加入IOmL的水合胼，攪拌加 熱回流2天，停止反應(yīng)。將反應(yīng)體系經(jīng)過(guò)0. 22微米的聚四氟乙烯的膜過(guò)濾，并用大量的無(wú)水 乙醇充分洗濾餅直至完全除去水合胼，收集濾餅并干燥得到還原后的石墨烯，記為隊(duì)-RGO。實(shí)施例2-石墨烯的制備制備方法基本同實(shí)施例1，不同之處在于所用帶樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)的苯胺化合物為 D1-NH2，將其和氧化石墨烯充分反應(yīng)后，得到D1-GO,經(jīng)過(guò)胼還原即可得到D1-RGO15實(shí)施例3-石墨烯的制備制備方法基本同實(shí)施例1，不同之處在于所用的帶樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)的苯胺化合物為 D2-NH2，將其和氧化石墨烯充分反應(yīng)后，得到D2-GO,經(jīng)過(guò)胼還原即可得到D2-RGO15實(shí)施例4-石墨烯的制備
制備方法基本同實(shí)施例1，不同之處在于所用的帶樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)的苯胺化合物為 D3-NH2，將其和氧化石墨烯充分反應(yīng)后，得到D3-GO，經(jīng)過(guò)胼還原即可得到D3-RGO。實(shí)施例5-石墨烯的表征用下列方法對(duì)實(shí)施例1-4制備的石墨烯進(jìn)行表征一、元素分析法稱(chēng)取一定量的氧化石墨烯、接枝樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)的氧化石墨烯、或經(jīng)水合胼還原得到 的石墨烯樣品，利用德國(guó)Elementar公司vario EL III元素分析儀測(cè)定其C、H、N含量，利 用差減法得到0含量，結(jié)果見(jiàn)圖1所示。數(shù)據(jù)表明，接枝數(shù)柱狀取代基，使得氧化石墨烯的 C含量增加，表明接枝反應(yīng)的成功；而經(jīng)水合胼還原之后，C含量進(jìn)一步提高，表明還原反應(yīng) 效果良好。二、紅外分析法取極少量的氧化石墨烯、接枝樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)的氧化石墨烯、或經(jīng)水合胼還原得到的 石墨烯樣品和溴化鉀晶體相混合，研磨成微細(xì)粉末，并壓成片狀物，在NicoletAV-330傅 里葉變換紅外光譜儀測(cè)試紅外譜圖，所得結(jié)果見(jiàn)圖2所示。分析結(jié)果可以看出，在接枝樹(shù) 枝狀取代基的氧化石墨烯的IR譜圖，在zgesdgzizssknT1出現(xiàn)烷基長(zhǎng)鏈的特征峰，在 1640cm-1出現(xiàn)酰胺鍵的特征峰，表明樹(shù)枝狀取代基成功接枝在氧化石墨烯上；而經(jīng)水合胼 還原之后，上述的特征峰仍然得以保持，說(shuō)明還原反應(yīng)不會(huì)去除樹(shù)枝狀取代基。三、XPS表征檢測(cè)對(duì)實(shí)施例2中的氧化石墨烯和經(jīng)水合胼還原后得到的石墨烯進(jìn)行XPS測(cè)定，結(jié)果 見(jiàn)圖3所示。在氧化石墨烯GO的XPS圖，見(jiàn)圖3a，氧化石墨烯GO含有大量的C-0 (286. 84eV) 和C = 0(288. 56eV)含氧基團(tuán)，而經(jīng)水合胼還原后，其C_0含量和C = 0含量大幅下降，表 明還原反應(yīng)去除了氧化石墨烯上的大部分含氧基團(tuán)，恢復(fù)石墨烯的二維共軛體系。四、TEM表征檢測(cè)對(duì)實(shí)施例1-4得到的石墨烯進(jìn)行TEM觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)所有樣品的石墨烯呈層狀結(jié)構(gòu)，見(jiàn) 圖4。五、溶劑分散度的測(cè)定對(duì)實(shí)施例1-4中的接枝樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)的氧化石墨烯、或經(jīng)水合胼還原得到的石墨烯 樣品進(jìn)行分散度的測(cè)定稱(chēng)取一定量的樣品，分散于一定量的溶劑中，靜置一段時(shí)間后，抽 取一定量的上層清液，蒸掉溶劑，稱(chēng)量殘?jiān)亓?，?jì)算分散度。從圖5可以看出，接枝樹(shù)枝狀 結(jié)構(gòu)的氧化石墨烯在氯仿中有良好的分散度，而且分散度隨著樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)的變大而變大。 從圖6可以看出，經(jīng)水合胼還原后得到的石墨烯在氯仿中的分散度雖然比氧化石墨烯小， 但是仍然保持一定的分散度。而且，其分散度也隨著樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)的變大而變大。
權(quán)利要求
一種可分散于有機(jī)溶劑石墨烯的制備方法，其特征是包括以下步驟(1)氧化石墨烯接枝樹(shù)枝狀取代基將氧化石墨烯分散于氯化亞砜中，加入N，N-二甲基甲酰胺，回流1-5天；然后除去過(guò)量的氯化亞砜，加入N，N-二甲基甲酰胺，帶樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)的胺類(lèi)或醇類(lèi)化合物和三乙胺，升溫至80-160℃，反應(yīng)1-6天；得到接枝樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)的氧化石墨烯；各加入物質(zhì)的質(zhì)量比依次為氯化亞砜∶N，N-二甲基甲酰胺∶帶樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)的胺類(lèi)或醇類(lèi)化合物∶三乙胺∶氧化石墨烯＝30-100∶20-80∶0.5-5∶0.2-5∶1；(2)氧化石墨烯的化學(xué)還原步驟(1)的接枝樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)的氧化石墨烯分散于有機(jī)溶劑中，加入水合肼，回流10-48小時(shí)，得到可分散于有機(jī)溶劑的石墨烯；各加入物質(zhì)的質(zhì)量比依次為水合肼∶接枝樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)的氧化石墨烯＝20-5∶1。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯的制備方法，其特征是步驟(1)中所述的帶樹(shù)枝狀結(jié) 構(gòu)的胺類(lèi)或醇類(lèi)化合物的分子式通式如下所示其中，X為對(duì)胺基苯氧基、胺基或羥基，SG為表面基團(tuán)，為 的直鏈或支鏈的烷 基、C1 C30的直鏈或支鏈的烷氧基或寡聚氧化乙烯基，n為0 5的整數(shù)，BU為如下所示 的支化的重復(fù)單元
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯的制備方法，其特征是步驟(1)中所述的帶樹(shù)枝狀結(jié) 構(gòu)的胺類(lèi)或醇類(lèi)化合物的分子式如下所示
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯的制備方法，其特征是所述的有機(jī)溶劑是鹵代烴、芳 烴溶劑、酮類(lèi)溶劑或醚類(lèi)溶劑。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯的制備方法，其特征是步驟⑴和⑵的產(chǎn)物經(jīng)過(guò)濾、 洗滌或干燥。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的石墨烯制備方法，其特征是所述的過(guò)濾是用聚四氟乙烯膜過(guò) 濾反應(yīng)混合物，洗滌用氯仿、無(wú)水乙醇或兩者的混合物。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述石墨烯的制備方法，其特征是步驟(1)的氧化石墨烯通過(guò)如 下方法制備將石墨加入到強(qiáng)氧化酸和硝酸鹽的混合液中，加入強(qiáng)氧化劑，在20-50°C反應(yīng) 0. 5-4小時(shí)，隨后，加入水，使體系升溫至80-100°C，反應(yīng)10-60min，接著加入水和雙氧水， 攪拌，過(guò)濾，水洗，除去各種無(wú)機(jī)離子，干燥后得到氧化石墨烯；各加入物質(zhì)的質(zhì)量比依次為強(qiáng)酸硝酸鹽強(qiáng)氧化劑雙氧水石墨= 30-70 0. 2-1 1-6 5-15 1。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的石墨烯的制備方法，其特征是所述的強(qiáng)氧化酸為濃硫酸或高 氯酸，所述的強(qiáng)氧化劑為高錳酸鉀或高氯酸鉀。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可分散于有機(jī)溶劑石墨烯的制備方法，包括氧化石墨烯接枝樹(shù)枝狀取代基和氧化石墨烯的化學(xué)還原。本發(fā)明利用體積龐大的樹(shù)枝狀取代基功能化氧化石墨烯，使得到的氧化石墨烯可分散于大部分有機(jī)溶劑，經(jīng)水合肼還原后，得到的石墨烯仍然保持優(yōu)良的有機(jī)溶劑分散性能。本發(fā)明還利用過(guò)濾洗滌手段去除溶液法制備過(guò)程中過(guò)量的反應(yīng)物、雜質(zhì)和溶劑，從而得到純凈的石墨烯產(chǎn)品，并且為粉末狀產(chǎn)品，便于存儲(chǔ)和運(yùn)輸，適合宏量制備的需要。由于本發(fā)明所制備的石墨烯具有優(yōu)良的溶劑可分散性能，因此可以按照需要，將粉末狀石墨烯樣品重新分散于特定的有機(jī)溶劑中，得到所需的石墨烯溶膠，便于大規(guī)模使用。
文檔編號(hào)C01B31/04GK101863465SQ201010204299
公開(kāi)日2010年10月20日 申請(qǐng)日期2010年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月18日
發(fā)明者李維實(shí), 趙福剛 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所