專利名稱：以水溶性六苯并蔻衍生物為增溶劑制備石墨烯水溶液的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制備石墨烯水溶液的方法，尤其是涉及以水溶性六苯并蔻衍生物為增溶劑制備石墨烯水溶液的方法，屬于有機(jī)和無機(jī)材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
2004年，單層石墨烯首次被發(fā)現(xiàn)，它是只有一個碳原子厚度的二維納米材料，它是一種由碳原子以Sp2雜化軌道組成的蜂巢晶格的平面薄膜，其厚度僅為0. 35nm，是世界上最薄的二維材料。石墨烯因其特殊的單原子層結(jié)構(gòu)所帶來的各種優(yōu)異的物理性質(zhì)而引起越來越多的關(guān)注。結(jié)構(gòu)完整的石墨烯化學(xué)穩(wěn)定性高，與其他溶劑的相互作用比較弱，石墨烯片層之間容易發(fā)生聚集，很難溶于水及常用的有機(jī)溶劑。石墨烯的溶解問題在很大程度上限制了石墨烯的應(yīng)用。近幾年來，雖然在石墨烯的制備方面取得了積極的進(jìn)展，發(fā)展了機(jī)械剝離(I. V. Grigorieva, A. A. Firsov, Science 2004，306，666)、晶體外延生長(W.A.de Heer， Science 2006，312，1191)、化學(xué)氣相沉積(B. H. Hong，Nature 2009，457，706)等方法，但是這些方法的制備條件要求苛刻，成本高，產(chǎn)率也比較低，不易規(guī)?；?。為了增加石墨烯的溶解度，人們發(fā)展了共價和非共價修飾的方法。2006年， Stankovich等人利用一系列異氰酸酯有機(jī)小分子與氧化石墨烯上的羧基、羥基反應(yīng)，制備了異氰酸酯共價鍵修飾的石墨烯，所制備的石墨烯在THF、DMF、DMSO等多種極性非質(zhì)子型溶劑中均勻分散，并能長時間保持穩(wěn)定(Sasha Stankovich, Carbon, 2006,443342) ；2009 年，Ye等采用共聚的方法將兩親性聚合物共價修飾到石墨烯上，制備了聚苯乙烯_丙烯酰胺(PS-PAM)嵌段共聚物改性的兩親性石墨烯，所制備的石墨烯既能溶于水又能溶于二甲苯，增加了石墨烯的應(yīng)用范圍(Mingxin Ye，Small，2009，5，82)。雖然共價修飾石墨烯的方法可以大大改善石墨烯在各種溶劑中的溶解度，但是共價鍵引入的各種修飾基團(tuán)破壞了石墨烯本身的電子結(jié)構(gòu)與特性；另外，共價修飾石墨烯的方法需要經(jīng)過各種繁瑣的化學(xué)反應(yīng)及操作，不利于實(shí)際應(yīng)用。氧化石墨烯還原法(R. S. Ruoff，Nature 2006，442，282)因其原材料豐富，制備工藝設(shè)備相對簡單而成為目前廣泛應(yīng)用的一種非共價修飾增溶石墨烯的方法。氧化石墨烯含有大量的羧基、羥基和環(huán)氧鍵等含氧的活性基團(tuán)，易溶解于水和各種有機(jī)溶劑中，在增溶劑存在下對其進(jìn)行還原可以達(dá)到增加石墨烯溶解度的效果。2006年，Sasha Stankovich等在高分子聚苯乙烯磺酸鈉(PSS)存在條件下利用水合胼還原氧化石墨烯，由于聚苯乙烯磺酸鈉與石墨烯的η-η相互作用阻礙了石墨烯片層間的聚集，使石墨烯在水中的溶解度大大增加(Sasha Stankovich, J. Mater. Chem.，2006，16，155) ；Gaoquan Shi 等利用具有 π 共軛體系的小分子1-芘丁酸與氧化石墨烯非共價作用制備了水溶性的石墨烯(Gaoquan Shi, J. Am. Chem. Soc. 2008，130，5856)。 到目前為止，通過還原氧化石墨烯制備石墨烯水溶液的方法仍存在著產(chǎn)物濃度低，分散不均勻的缺點(diǎn)，對于利用共價修飾的方法還存在石墨烯結(jié)構(gòu)被破壞等問題，這些限制了其在各領(lǐng)域中的應(yīng)用及應(yīng)用效果。本發(fā)明旨在提高石墨烯在水溶液中的溶解度與分散性，改善其的加工性能，擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種使石墨烯在水溶液中具有高溶解度和高分散性的方法；本發(fā)明的目的是通過分子設(shè)計(jì)，以具有超大η共軛體系的水溶性六苯并蔻衍生物作為增溶劑來制備石墨烯水溶液來實(shí)現(xiàn)的；通過本發(fā)明制備的石墨烯水溶液溶解度好、分散性高，能夠滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需要。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明以水溶性六苯并蔻衍生物為增溶劑制備石墨烯水溶液的方法，包括以下步驟1)將氧化石墨烯固體分散于超純水中，得到溶液A ；2)向步驟1)得到的溶液A中加入水溶性六苯并蔻衍生物，混合，得到溶液B ；3)向步驟幻得到的溶液B中加入水合胼，攪拌，得到石墨烯溶液；4)將步驟3)得到的石墨烯溶液離心，去除上清液，將沉淀物溶于超純水中，即得到石墨烯水溶液。所述步驟1)是在10°C 40°C的條件下，將氧化石墨烯固體經(jīng)超聲分散于超純水中。所述步驟2)中，所述水溶性六苯并蔻衍生物與氧化石墨烯的摩爾比(以六苯并蔻結(jié)構(gòu)和石墨烯的苯環(huán)為單元計(jì)算)為1 1 20 1。所述步驟2)中，所述水溶性六苯并蔻衍生物的結(jié)構(gòu)為
權(quán)利要求
1.以水溶性六苯并蔻衍生物為增溶劑制備石墨烯水溶液的方法，其特征在于，包括以下步驟1)將氧化石墨烯固體分散于超純水中，得到溶液A；2)向步驟1)得到的溶液A中加入水溶性六苯并蔻衍生物，混合，得到溶液B;3)向步驟2)得到的溶液B中加入水合胼，攪拌，得到石墨烯溶液；4)將步驟3)得到的石墨烯溶液離心，去除上清液，將沉淀物溶于超純水中，即得到石墨烯水溶液。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以水溶性六苯并蔻衍生物為增溶劑制備石墨烯水溶液的方法，其特征在于所述步驟1)是在10°C 40°C的條件下，將氧化石墨烯固體經(jīng)超聲分散于超純水中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以水溶性六苯并蔻衍生物為增溶劑制備石墨烯水溶液的方法，其特征在于所述步驟2)中，所述水溶性六苯并蔻衍生物與氧化石墨烯的摩爾比(以六苯并蔻結(jié)構(gòu)和石墨烯的苯環(huán)為單元計(jì)算)為1 1 20 1。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以水溶性六苯并蔻衍生物為增溶劑制備石墨烯水溶液的方法，其特征在于所述步驟2)中，所述水溶性六苯并蔻衍生物的結(jié)構(gòu)為
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以水溶性六苯并蔻衍生物為增溶劑制備石墨烯水溶液的方法，其特征在于所述步驟3)中，所述水合胼的用量為每Img氧化石墨烯使用50μ 1 200 μ 1水合胼。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以水溶性六苯并蔻衍生物為增溶劑制備石墨烯水溶液的方法，其特征在于所述步驟3)中，所述攪拌是在50°C 100°C的條件下，攪拌5小時 24小時。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以水溶性六苯并蔻衍生物為增溶劑制備石墨烯水溶液的方法，其特征在于所述步驟4)中，離心操作是在轉(zhuǎn)速為5000轉(zhuǎn)/分 15000轉(zhuǎn)/分的條件下離心石墨烯溶液5分鐘 5小時。
全文摘要
本發(fā)明公開了以水溶性六苯并蔻衍生物為增溶劑制備石墨烯水溶液的方法，包括將氧化石墨烯固體分散于超純水中，加入水溶性六苯并蔻衍生物，混合，再加入水合肼，攪拌，經(jīng)離心，去除上清液，將沉淀物溶于超純水中，得到石墨烯水溶液；本發(fā)明操作簡單，制備的石墨烯水溶液性質(zhì)穩(wěn)定，還可以通過改變增溶劑的用量調(diào)整石墨烯在水中的分散狀態(tài)，在納米科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)和材料科學(xué)諸方面有著廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號B01F17/42GK102303862SQ20111013452
公開日2012年1月4日 申請日期2011年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月23日
發(fā)明者曾毅, 李嫕, 李迎迎, 陳金平, 魏恒星 申請人:中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所