一种有机分子修饰的石墨烯复合材料的制备方法

1.本发明属于新材料领域，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。


背景技术：

2.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-1
s-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。
3.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。
4.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。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的问题，本发明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。本发明利用氨基、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。
6.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
7.一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：
8.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；
9.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；
10.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；
11.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；
12.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。
13.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。
14.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℃。
15.进一步的，步骤a中的氧化石墨烯溶液浓度为0.5～20g/l。
16.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。
17.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。
18.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。
19.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。
20.进一步的，步骤d中所述的惰性气体为氮气或氩气气氛，煅烧的升温速率为1～10℃/min，煅烧温度为500～3000℃，保温时间为0.5～12h。
21.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
22.本发明通过选择合适的有机分子，对石墨层间距进行调节，获得具有不同层间距的石墨材料。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，如氨基、亚氨基等官能团。具体的：(1)本发明采用有机分子连接在石墨烯片层之间或片层一端，扩宽了石墨烯的层间距；(2)通过有机分子中氨基、亚氨基等官能团与氧化石墨烯羟基、羧基含氧官能团之间的化学键合，可以形成稳定且有序的石墨烯片层结构，保持了石墨烯整体结构的高度
稳定性；(3)可通过改变有机分子的大小或分子结构(如间苯二胺、对苯二胺、甲基萘胺)可控调节石墨烯片层之间的距离；(4)有机分子连接在石墨烯片层之间或片层一侧(例如，r-x中的x与氧化石墨烯含氧官能团反应，有机分子连接在石墨烯片层一侧，x-r-x
′
中的x和x
′
与与氧化石墨烯含氧官能团反应，有机分子连接在石墨烯片层之间)，可有效促进电子或离子在其间的快速迁移，是一种理想的超快充离子电池电极材料或电子导电材料；(5)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；(6)设备要求简单，对环境无污染，绿色环保。
23.除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
24.构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
25.图1为本发明的实施例1制备的石墨烯纳米复合材料的扫描电镜(sem)微观形貌图(放大倍数为3万倍)。
26.图2为本发明的实施例1制备的石墨烯-对苯基-石墨烯(gpg)复合材料的透射电子显微镜(tem)微观形貌图。
27.图3为实施例1制备的石墨烯-对苯基-石墨烯(gpg)与普通石墨(graphite)的x射线粉末衍射图谱。
28.图4为实施例1制备的苯基桥连的氧化石墨烯(go-p-go)与氧化石墨(go)，以及对苯二胺复合氧化石墨(p-aniline go)的傅里叶变换红外光谱图。
29.图5为实施例1制备的苯基桥连的氧化石墨烯(go-p-go)与氧化石墨(go)的固体核磁共振图，其中，(a)为
13
c的核磁共振图，(b)为1h的核磁共振图。
具体实施方式
30.为了更好地理解本发明，下面结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。
31.实施例1
32.一种有机分子修饰的石墨烯复合材料的制备方法，包括：
33.(1)氧化石墨烯的制备
34.采用改进的hummers法制备氧化石墨烯(go)：在烧杯中加入2g石墨粉和1g硝酸钠；在0℃条件下加入46ml浓硫酸，搅拌10min；加入6g高锰酸钾，继续反应3h；加热至35℃，继续搅拌60min；加入100ml的去离子水，把水浴温度升高到90℃，搅拌30min；再加入500ml去离子水，升温至70℃，搅拌30min，再加入10ml双氧水搅拌15分钟；将产物反复洗涤至中性，70℃下真空干燥后得到go。
35.(2)氧化石墨烯复合材料的制备
36.a、将氧化石墨烯(go)0.1g加入到100ml去离子水中，超声分散30分钟，得到1g/l的氧化石墨烯溶液；
37.b、取上述步骤a得到的氧化石墨烯溶液100ml，置于圆底烧瓶中，反应温度为5℃，加入对苯二胺1.0g，亚硝酸钠2.0g，稀盐酸溶液50ml(浓度为1mol/l)，反应时间为12h，得到反应后的混合物。
38.c、将上述步骤c得到的反应后的混合物用去离子水离心清洗以除去未反应的酸和盐直至溶液呈中性，离心机转速为7000rpm/min，时间为10分钟，得到离心后的混合物；
39.d、取上述步骤c得到的离心后的混合物，在50℃条件下烘干，得到烘干后的复合材料；
40.e、取上述步骤d得到的烘干后的复合材料，在惰性气体(氮气)保护下，以3℃/min的升温速率升温至1600℃并保温1h，将氧化石墨还原即得到对苯基桥连的石墨烯复合材料(简称gpg)。
41.实施例2
42.一种有机分子修饰的石墨烯复合材料的制备方法，包括：
43.(1)氧化石墨烯的制备
44.采用改进的hummers法制备氧化石墨烯(go)：在烧杯中加入2g石墨粉和1g硝酸钠；在5℃条件下加入46ml浓硫酸，搅拌30min；加入8g高锰酸钾，继续反应2h；加热至35℃，继续搅拌30min；加入100ml的去离子水，把水浴温度升高到90℃，搅拌30min；再加入500ml去离子水，升温至70℃，搅拌10min，再加入10ml双氧水搅拌15分钟；将产物反复洗涤至中性，60℃下真空干燥后得到go。
45.(2)氧化石墨烯复合材料的制备
46.a、将氧化石墨烯0.5g加入到100ml去离子水中，超声分散30分钟，得到5g/l的氧化石墨烯溶液；
47.b、取上述步骤a得到的氧化石墨烯溶液100ml，置于圆底烧瓶中，反应温度为0℃，加入甲基萘胺0.30g，亚硝酸钠2.0g，稀盐酸溶液80ml(浓度为1mol/l)，反应时间为12h，得到反应后的混合物。
48.c、将上述步骤c得到的反应后的混合物用去离子水洗涤离心至中性，离心机转速为10000rpm/min，时间为5分钟，得到离心后的混合物；
49.d、取上述步骤c得到的离心后的混合物，在60℃条件下烘干，得到烘干后的复合材料；
50.e、取上述步骤d得到的烘干后的复合材料，在惰性气体(氮气)保护下，以5℃/min的升温速率升温至1000℃，保温2h，得到甲基萘胺桥连的石墨烯复合材料。
51.实施例3
52.一种有机分子修饰的石墨烯复合材料的制备方法，包括：
53.(1)氧化石墨烯的制备
54.采用改进的hummers法制备氧化石墨烯(go)：在烧杯中加入2g石墨粉和1g硝酸钠；在5℃条件下加入46ml浓硫酸，搅拌30min；加入8g高锰酸钾，继续反应2h；加热至35℃，继续搅拌30min；加入100ml的去离子水，把水浴温度升高到90℃，搅拌30min；再加入500ml去离子水，升温至70℃，搅拌10min，再加入10ml双氧水搅拌15分钟；将产物反复洗涤至中性，60℃下真空干燥后得到go。
55.(2)氧化石墨烯复合材料的制备
56.f、将氧化石墨烯0.5g加入到100ml去离子水中，超声分散30分钟，得到5g/l的氧化石墨烯溶液；
57.g、取上述步骤a得到的氧化石墨烯溶液100ml，置于圆底烧瓶中，反应温度为-50℃，加入联苯二胺1g，亚硝酸钠2.0g，稀盐酸溶液80ml(浓度为1mol/l)，反应时间为48h，得到反应后的混合物。
58.h、将上述步骤c得到的反应后的混合物用去离子水洗涤离心至中性，离心机转速为10000rpm/min，时间为5分钟，得到离心后的混合物；
59.i、取上述步骤c得到的离心后的混合物，在60℃条件下烘干，得到烘干后的复合材料；取上述步骤d得到的烘干后的复合材料，在惰性气体(氮气)保护下，以10℃/min的升温速率升温至3000℃，保温0.5h，得到联苯二胺桥连的石墨烯复合材料。
60.比较例
61.商业的氧化石墨烯的霍尔迁移率为600cm
2 v-1
s-1
，传统方法制备的还原氧化石墨烯的霍尔迁移率为3000cm2v-1
s-1
，离子扩散系数为4.19
×
10-13
cm
2 s-1
，碳层间距为0.335nm。
62.而采用本发明方法制备的有机分子修饰的石墨烯，通过苯基与石墨片层的桥联，减弱了石墨烯层间的范德华力，增强了平面内π电子离域，扩大了层间距，加速了离子在石墨烯层间的迁移，其霍尔迁移率达到13000cm2v-1
s-1
，离子扩散系数为5.28
×
10-11
cm
2 s-1
，实现了超高的电子迁移率。
63.图1为本发明的实施例1制备的石墨烯纳米复合材料的扫描电镜(sem)微观形貌图，图1中呈现出典型的石墨烯片层褶皱结构，说明有机分子的嵌入并未改变原有石墨烯的形貌。图2为本发明的实施例1制备的石墨烯-对苯基-石墨烯(gpg)复合材料的透射电子显微镜(tem)微观形貌图，tem测试结果表明石墨烯-苯基-石墨烯纳米复合材料的碳层平均距离为0.56nm，表明对苯基的插入显著扩大了其层间距。图3为实施例1制备的石墨烯-对苯基-石墨烯(gpg)与普通石墨(graphite)的x射线粉末衍射图谱，xrd的测试结果表明：商业石墨在2θ＝～26.5
°
处的尖峰反映了(001)平面的层间距，而2θ＝～44.6和～54.8
°
处的其他两个小峰则对应着(100)和(004)平面，石墨烯-苯基-石墨烯纳米复合材料的(001)平面对应的峰值偏移至2θ＝～17.8
°
，进一步表明其层间距被扩宽了。图4为实施例1制备的苯基桥连的氧化石墨烯(go-p-go)与氧化石墨(go)，以及对苯二胺复合氧化石墨(p-aniline go)的傅里叶变换红外光谱图，其红外光谱测试结果表明氧化石墨烯与对苯二胺混合物的红外光谱在～500、～700和3000-3500cm-1
之间出现了-nh2官能团的吸收峰，在～800、～1100、～1300、～1500cm-1
处出现了对苯基中的吸收峰。而在桥接反应发生之后，-nh2官能团完全消失，但对苯基相关的吸收峰仍然存在。图5为实施例1制备的苯基桥连的氧化石墨烯(go-p-go)与氧化石墨(go)的固体核磁共振图，其中，(a)为
13
c的核磁共振图，(b)为1h的核磁共振图。桥接后的石墨烯的固体核磁共振图谱表明其c-oh(～70ppm)、-ch
2-(～25ppm)、c-o-c(～60ppm)的核磁共振峰强度明显减弱，而对苯基中c＝o(～180ppm)和c＝ch(～120ppm)以及苯基氢的核磁共振峰强度明显增强，说明对苯基与氧化石墨烯的含氧官能团发生了桥接。实施例2和实施例3与实施例1的结果相似，在此不再赘述。
64.由此可见，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。而本发明利用氨基、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。
65.此外，本发明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。且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。
66.上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员理解和使用本发明。熟悉本领域的技术人员可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中，而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例。本领域技术人员根据本发明的原理，不脱离本发明的范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。