一种有机分子修饰的石墨烯复合材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种有机分子修饰的石墨烯复合材料的制备方法，所述方法主要包括以下步骤：将氧化石墨烯水溶液与有机分子溶液混合；利用有机分子与氧化石墨烯的官能团发生化学反应，使氧化石墨烯片层之间或片层一端连接上有机分子；通过化学还原或高温煅烧还原处理，制备出可精准控制层间距的石墨烯复合材料。本发明专利技术方法制备的石墨烯材料中的碳层间距可通过改变有机分子的类型、分子结构大小、嵌入数量等进行有效控制，其霍尔迁移率、离子扩散系数、电子电导率均得到了明显提升。采用该方法制备的石墨烯纳米复合材料生产成本低，反应条件温和，适合大规模生产。适合大规模生产。适合大规模生产。

【技术实现步骤摘要】
一种有机分子修饰的石墨烯复合材料的制备方法


[0001]本专利技术属于新材料领域，具体涉及一种有机分子修饰的石墨烯复合材料的制备方法。

技术介绍

[0002]石墨烯由于其独特的二维结构和卓越的机械性能、物理性能和电化学性能，被认为是下一代最具应用前景的纳米材料之一。然而，合成具有优异物理化学性质(例如高导电性和离子迁移率)的高质量石墨烯基复合材料仍然是目前研究的热点和难点。石墨烯是至今为止发现的最薄的单原子层纳米材料，具有极其优异的电子迁移率(室温下为15000cm2V
‑1s
‑1)。虽然单层石墨烯具有突出的物理化学性质(具有已知材料中最高的面内电导率)，但是高质量单层石墨烯的制备和实际应用中仍存在很大的技术挑战。多层堆积的石墨烯更稳定并且可以更容易制备，但是由于层间的范德华作用力限制了石墨烯π电子的离域，严重影响了其物理化学性质，如电子迁移率降低，导电性变差等。
[0003]研究发现，通过扩宽堆叠石墨烯的层间距可显著减小其层间的范德华力。将石墨烯进行化学氧化即可显着扩大其层间距。然而，氧化石墨烯平面内的共轭结构被严重破坏，导致其电子迁移率的急剧下降。将氧化石墨烯进行还原可以在一定程度上恢复平面内的石墨烯，但还原氧化石墨烯的重新堆叠又再次限制了其电子的离域。此外，还原的氧化石墨烯经常被破坏成石墨烯碎片，且碎片之间的相互作用很弱且接触电阻很大，这大大降低了石墨烯整体性能。
[0004]因此，我们如果将石墨烯层在堆叠前利用合适的有机分子通过化学键连接在石墨烯层间，可以扩宽其层间距离并减小其层间范德华力。同时，通过化学键的连接既可以保持石墨烯整体的高度稳定性，又可以最大程度的维持单层石墨烯的独特性，可极大改善其物理化学性能，在能源存储、电子器件、生物医药、催化材料等领域都有潜在的应用价值。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中存在的问题，本专利技术的目的是提供一种基于有机分子修饰调节石墨层间距的方法。传统方法所制备的石墨烯复合材料层间距较小，离子迁移率较低，且石墨烯材料结构也得到一定程度破坏，导致其电子迁移率和结构稳定性下降。本专利技术利用氨基、亚氨基等官能团的重氮化反应得到重氮盐，其在酸性条件下会形成自由基进攻石墨烯的含氧官能团(羟基、羧基、羰基、环氧基等)或碳碳双键，形成新的σ键而与氧化石墨发生桥连，将有机分子连接在氧化石墨烯片层之间或片层表面，再通过化学或者高温还原处理将氧化石墨烯还原为石墨片层，即可在石墨片层之间或片层一侧形成稳定的化学键，使石墨烯片层之间的范德华力显著降低，并形成稳定有序的纳米结构，同时多个单层石墨烯被整合成一个整体。其中的π电子可保持高度的离域状态，使其电子迁移率进一步提高，并实现超高的离子迁移率，大幅提升石墨烯材料的物理与化学性能。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：
[0007]一种有机分子修饰的石墨烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0008]步骤a、将制备的氧化石墨烯分散于水中，经超声分散得到氧化石墨烯溶液；
[0009]步骤b、将有机分子与氧化石墨烯溶液混合，在
‑
50℃～200℃下反应30min～48h，得到反应产物；
[0010]步骤c、将步骤b得到的反应产物进行离心清洗和干燥处理；
[0011]步骤d、向干燥后的产物中加入还原剂，在惰性气体下进行煅烧还原处理，得到有机分子修饰的石墨烯复合材料；
[0012]其中，所述有机分子的通式表示为：R
‑
X或X
‑
R
‑
X
′
，R为脂肪烃基或芳香烃基，X和X
′
为能与氧化石墨烯的官能团发生化学反应形成稳定的化学键的官能团。
[0013]进一步的，步骤a中的氧化石墨烯是以石墨粉为前驱体，通过化学氧化法或电化学氧化法制备而成。
[0014]进一步的，步骤a中氧化石墨烯制备过程中所使用的氧化剂与石墨粉的质量比为1:10～50:1，所述氧化剂为K2S2O8、P2O5、NaNO3、KClO3、KMnO4、H2O2和过氧化苯甲酰中的一种或几种，反应液体系为硫酸、硝酸、盐酸、磷酸中的一种或几种酸的混合液体系，氧化反应时间为30min至48h，氧化反应温度为
‑
10～100℃。
[0015]进一步的，步骤a中的氧化石墨烯溶液浓度为0.5～20g/L。
[0016]进一步的，步骤b中有机分子与氧化石墨烯的质量比为1:1～1:1000。
[0017]进一步的，所述有机分子的通式中的R为烷烃基(
‑
C
‑
)、烯烃基(
‑
C＝C
‑
)、炔烃基(
‑
C≡C
‑
)、苯基及其衍生物(
‑
RC6H5)、甲苯基及其衍生物(
‑
RCH2C6H5)中的一种或几种；所述有机分子的通式中的X、X
′
均为酰胺(
‑
RCONH2)、伯胺(
‑
RNH2)、仲胺(
‑
R2NH2)、叔胺(
‑
R3N)、季铵盐(
‑
R4N)、一级酮亚胺(
‑
RC(＝NH)R
′
)、二级酮亚胺(
‑
RC(＝NR)R
′
)、一级醛亚胺(
‑
RC(＝NH)H)、二级醛亚胺(
‑
RC(＝NR
′
)H)、酰亚胺(
‑
RC(＝O)NC(＝O)R
′
)、叠氮根(
‑
RN3)、偶氮基(
‑
RN2R
′
)、氰酸酯(
‑
ROCN)、异腈(
‑
RNC)、异腈酸酯(
‑
RNCO)、异硫氰酸酯(
‑
RNCS)、硝酸酯(
‑
RONO2)、氰基(
‑
RCN)、亚硝酸酯(
‑
RONO)、硝基(
‑
RNO2)、亚硝基(
‑
RNO)、吡啶基(
‑
RC5H4N)中的一种或几种。例如：甲氧基苯胺、对苯二胺、联苯二胺、1,5
‑
萘二胺、甲基萘胺、联甲氧基苯胺、对氨基苯磺酸、对氨基苯甲酸、1
‑
氨基萘
‑4‑
磺酸等。
[0018]进一步的，步骤c中离心机转速为1000
‑
10000r/min，离心时间为3
‑
15min，离心清洗次数为3
‑
5次。
[0019]进一步的，步骤d中所使用的还原剂为水合肼、NaHB4、HI、维生素C、NaHSO3和Zn粉中的一种或几种。
[0020]进一步的，步骤d中所述的惰性气体为氮气或氩气气氛，煅烧的升温速本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种有机分子修饰的石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤a、将制备的氧化石墨烯分散于水中，经超声分散得到氧化石墨烯溶液；步骤b、将有机分子与氧化石墨烯溶液混合，在
‑
50℃～200℃下反应30min～48h，得到反应产物；步骤c、将步骤b得到的反应产物进行离心清洗和干燥处理；步骤d、向干燥后的产物中加入还原剂，在惰性气体下进行煅烧还原处理，得到有机分子修饰的石墨烯复合材料；其中，所述有机分子的通式表示为：R
‑
X或X
‑
R
‑
X
′
，R为脂肪烃基或芳香烃基，X和X
′
为能与氧化石墨烯的官能团发生化学反应形成稳定的化学键的官能团。2.根据权利要求1所述的一种有机分子修饰的石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，步骤a中的氧化石墨烯是以石墨粉为前驱体，通过化学氧化法或电化学氧化法制备而成。3.根据权利要求2所述的一种有机分子修饰的石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，步骤a中氧化石墨烯制备过程中所使用的氧化剂与石墨粉的质量比为1:10～50:1，所述氧化剂为K2S2O8、P2O5、NaNO3、KClO3、KMnO4、H2O2和过氧化苯甲酰中的一种或几种，反应液体系为硫酸、硝酸、盐酸、磷酸中的一种或几种酸的混合液体系，氧化反应时间为30min至48h，氧化反应温度为
‑
10～100℃。4.根据权利要求1所述的一种有机分子修饰...

【专利技术属性】
技术研发人员：李焕新，黄中原，周海晖，姚勇，旷亚非，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：