CN103623741B - 石墨烯分散剂、其制备方法及石墨烯的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种石墨烯分散剂，如式（I）、式（II）或式（III）所示。所述石墨烯分散剂由萘四甲酸二酰亚胺单元、阴离子基团和烷基链三个部分组成。首先，萘四甲酸二酰亚胺单元和石墨烯之间具有很强的吸引力，使整个分子可以和石墨烯结合起来。其次，阴离子基团具有很好的水溶性，使分子和石墨烯的结合体能够充分分散在水中。再次，烷基链隔离萘四甲酸二酰亚胺单元和阴离子基团，使两者独自发挥作用。因此，萘四甲酸二酰亚胺单元、阴离子基团、烷基链三者的结合，使本发明的石墨烯分散剂具有优异的石墨烯分散能力。使用所述石墨分散剂通过超声方法制备的石墨烯没有经过氧化-还原的过程，缺陷含量低，制备成本低。
Description
技术领域
本发明涉及分散剂领域，特别涉及石墨烯分散剂、其制备方法及石墨烯的制备方法。
背景技术
石墨烯是由sp2杂化碳原子相互连接形成单原子层厚度二维蜂窝状晶格结构的碳材料。石墨烯具有优异的电学、力学、热学和机械性能，有望在透明导电膜、复合材料、能源、传感器、生物技术、催化材料等领域得到广泛应用。
已有的石墨烯制备方法包括机械剥离、外延生长、化学气相沉积、氧化-还原、溶液超声剥离等。其中，机械剥离、外延生长、化学气相沉积的方法可以得到缺陷含量低的石墨烯，但是这三种方法都只能得到少量产品，不能用于大量制备石墨烯。氧化石墨烯-还原的方法可以在溶液中大量制备石墨烯，但是得到的石墨烯含有大量的缺陷和杂原子，损坏了石墨烯的力学、电学和机械性质。
液超声剥离的方法通过超声将石墨烯从石墨中剥离下来，并在分散剂的辅助下将石墨烯分散在溶液中。该方法原料价格低廉，得到的石墨烯缺陷含量低，而且可以大量制备，是可以廉价大量制备石墨烯的有效方法。但是，由于石墨烯自身不溶于水、也缺乏有效的分散剂改善石墨烯在水中的分散性质，超声剥离得到的石墨烯容易重新聚集，因此，得到石墨烯在溶液中的浓度很低。这严重阻碍了溶液超声剥离方法在石墨烯宏量制备中的应用。因此，可以大幅度提高石墨烯在水溶液中的分散性质的分散剂材料的开发，是石墨烯大量制备中一个亟待解决的问题。
现有的石墨烯分散剂包括：十二烷基苯磺酸钠（SDBS）、1-芘甲酸、1-芘磺酸等、阿拉伯胶、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）等，也有一些合成的复杂的有机分子。但是这些石墨烯分散剂在水溶液中分散石墨烯的能力非常有限，经过超声剥离以后，得到的溶液中石墨烯浓度都小于0.5mg/mL，分散性能不佳。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供石墨烯分散剂、其制备方法以石墨烯的制备方法，本发明的石墨烯分散剂能够促进石墨烯分散，分散性能好。
本发明提供了一种石墨烯分散剂，如式（I）、式（II）或式（III）所示：
其中，n为-CH2-基团的重复数，n选自1～20的整数，M+独立的选自H+,碱金属阳离子,NH4 +和季铵盐离子中的任意一种。
优选的，所述M+独立的选自Li+,Na+,K+和(CH3)4N+中的任意一种。
本发明提供了一种石墨烯分散剂的制备方法，包括以下步骤：
氨基有机酸或胺基氨基羧酸盐与1,4,5,8-萘四甲酸二酐在有机溶剂中反应，得到如式（I）、式（II）或式（III）所示的石墨分散剂；
所述氨基有机酸为如式（VII）、式（VIII）或式（IX）所示的化合物；
所述氨基有机酸盐为如式（IV）、式（V）或式（VI）所示的化合物；
其中，n为-CH2-基团的重复数，n选自1～20的整数；
M+独立的选自H+,碱金属阳离子,NH4 +和季铵盐离子中的任意一种；
A独立的选自碱金属阳离子,NH4 +和季铵盐离子中的任意一种。
优选的，所述式（IV）、式（V）或式（VI）所示的化合物的制备方法为：
将式（VII）、式（VIII）或式（IX）所示化合物的水溶液与碱反应，得到式（IV）、式（V）或式（VI）所示的化合物。
优选的，所述碱为碱金属的氢氧化物、氨水或季铵碱。
优选的，所述1,4,5,8-萘四甲酸二酐在有机溶剂中的浓度为0.1～1mol/L。
优选的，所述氨基有机酸或氨基有机酸盐在有机溶剂中的浓度为0.2～3mol/L。
优选的，所述反应的温度为80～130℃。
本发明还提供了一种石墨烯的制备方法，包括以下步骤：
在含有上述技术方案所述的石墨烯分散剂的水溶液中加入石墨，进行超声处理，得到含石墨烯的悬浊液；
将所述含石墨烯的悬浊液离心，取上清液，得到石墨烯。
优选的，所述含有上述技术方案所述的石墨烯分散剂的水溶液的浓度为1～10mg/mL。
与现有技术相比，本发明的石墨烯分散剂，如式（I）、式（II）或式（III）所示。所述石墨烯分散剂由萘四甲酸二酰亚胺单元、阴离子基团和烷基链三个部分组成。首先，分子中，萘四甲酸二酰亚胺单元和石墨烯之间具有很强的吸引力（如疏水力、π-π相互作用、静电吸附），使整个分子可以和石墨烯结合起来。其次，分子中的阴离子基团具有很好的水溶性，使分子和石墨烯的结合体能够充分分散在水中。再次，分子中的烷基链，是柔软且惰性的，将萘四甲酸二酰亚胺单元和阴离子基团隔离开，使两者可以独自发挥作用。因此，萘四甲酸二酰亚胺单元、阴离子基团、烷基链三者的结合，使本发明的石墨烯分散剂具有优异的石墨烯分散能力。使用所述石墨分散剂通过超声方法制备的石墨烯没有经过氧化-还原的过程，缺陷含量低，制备成本低。实验结果表明，使用本发明所述的石墨烯分散剂后，石墨烯水溶液的浓度可以超过3mg/mL。
附图说明
图1为实施例2制备的3,3'-(1,4,5,8-萘四甲酸二酰亚胺-N,N'-)-二丙酸钠的核磁氢谱图；
图2为实施例8制备的石墨烯的透射电镜图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
本发明实施例公开了一种石墨烯分散剂，如式（I）、式（II）或式（III）所示：
其中，n为-CH2-基团的重复数，n选自1～20的整数，优选的，n选自2～18的整数，更优选的，n选自3～15的整数；
M+独立的选自H+,碱金属阳离子,NH4 +和季铵盐离子中的任意一种，优选的M+独立的选自Li+,Na+,K+和(CH3)4N+中的任意一种。
本发明公开了一种石墨烯分散剂的制备方法，包括以下步骤：
氨基有机酸或氨基有机酸盐与1,4,5,8-萘四甲酸二酐在有机溶剂中反应，得到如式（I）、式（II）或式（III）所示的石墨分散剂；
所述氨基有机酸为如式（VII）、式（VIII）或式（IX）所示的化合物；
所述氨基有机酸盐为如式（IV）、式（V）或式（VI）所示的化合物；
其中，n为-CH2-基团的重复数，n选自1～20的整数；优选的，n选自2～18的整数，更优选的，n选自3～15的整数。
M+独立的选自H+,碱金属阳离子,NH4 +和季铵盐离子中的任意一种，优选的M+独立的选自Li+,Na+,K+和(CH3)4N+中的任意一种；
A独立的选自碱金属阳离子,NH4 +和季铵盐离子中的任意一种，优选的，A独立的选自Li+,Na+,K+和(CH3)4N+中的任意一种。
本发明以氨基有机酸或氨基有机酸盐和1,4,5,8-萘四甲酸二酐为原料。所述氨基有机酸为如式（VII）、式（VIII）或式（IX）所示的化合物；所述氨基有机酸盐为如式（IV）、式（V）或式（VI）所示的化合物。
所述如式（IV）、式（V）或式（VI）所示的化合物优选按照以下方法制备：
将式（VII）、式（VIII）或式（IX）所示化合物的水溶液与碱反应，得到式（IV）、式（V）或式（VI）所示的化合物。
其中，n为-CH2-基团的重复数，n选自1～20的整数，优选的，n选自2～18的整数，更优选的，n选自3～15的整数。
本发明对于所述式（VII）、式（VIII）或式（IX）所示化合物的来源没有特殊限制，可以采用市售产品或按照本领域技术人员熟知的方式制备。所述式（VII）、式（VIII）或式（IX）所示化合物的水溶液的浓度优选为1～20mol/L，更优选为5～15mol/L，最优选8～12mol/L。
所述碱优选为碱金属的氢氧化物、季铵碱或氨水，更优选为氢氧化钠、氢氧化钾或四甲基羟胺。
所述式（VII）、式（VIII）或式（IX）所示化合物与碱的摩尔比优选为1：1～5，更优选为1：1～2。所述式（VII）、式（VIII）或式（IX）所示化合物的水溶液与碱反应的时间优选为5～15分钟，所述反应后优选经过丙酮洗涤和真空干燥，得到式（IV）、式（V）或式（VI）所示的化合物。
在本发明中，如式（IV）、式（V）或式（VI）所示的化合物与1,4,5,8-萘四甲酸二酐在有机溶剂中反应，得到如式（I）、式（II）或式（III）所示的石墨分散剂。所述有机溶剂优选为N,N-二甲基甲酰胺。所述1,4,5,8-萘四甲酸二酐在有机溶剂中的浓度优选为0.1～1mol/L，更优选为0.2～0.8mol/L。所述如式（IV）、式（V）或式（VI）所示的化合物在有机溶剂中的浓度优选为0.2～3mol/L，更优选为0.5～2mol/L。所述反应的温度优选为80～130℃，更优选为90～120℃，最优选为100～105℃。
本发明还公开了一种石墨烯的制备方法，包括以下步骤：
在含有上述技术方案所述的石墨烯分散剂的水溶液中加入石墨，进行超声处理，得到含石墨烯的悬浊液；
将所述含有石墨烯的悬浊液离心，取上清液，得到石墨烯。
在本发明中，对石墨进行超声处理，将石墨烯从石墨中剥离下来，并石墨烯分散剂的辅助下，将石墨烯分散在溶液中。本发明对于石墨的来源没有特殊限制，市售产品即可。上述技术方案所述的石墨烯分散剂的水溶液的浓度优选为1～10mg/mL，更优选为2～8mg/mL。所述超声处理的功率优选为0.1～10mW/cm2,更优选1～8mW/cm2。所述超声处理的时间优选为10～500分钟，更优选为50～400分钟，最优选为100～300分钟。
经检测，本发明所述方法制备的含石墨烯的悬浊液的浓度可达到3mg/mL。
按照本发明所述方法制备的石墨烯厚度为0.3～100nm，平均面积为0.0025～300μm2，氧元素的含量为0～20mol%。
按照本发明所述方法制备的石墨烯可以用于制备石墨烯薄膜，优选按照以下方法制备：
将所述的石墨烯和离子型1,4,5,8-萘四甲酸二酰亚胺类材料的水溶液，用聚四氟乙烯膜或氧化铝膜（孔径0.22μm，直径47mm）抽滤，得到石墨烯薄膜，在氩气气氛下高温处理2小时。该方法中，溶液中石墨烯的浓度为0.01-2mg/mL，优选0.5mg/mL，表面活性剂的浓度为0.05-10mg/mL，优选2mg/mL。高温处理的温度为200-800℃，优选500℃，高温处理的时间为0.5-5小时，优选2小时。按照本方法制备的石墨烯薄膜厚度为10nm-10μm，优选20nm。该石墨烯薄膜还可以为透明薄膜，其透光率为40～90%，优选75%。
按照本发明所述方法制备的石墨烯还可以应用于制备石墨烯复合材料、透明导电电极、超级电容器、锂离子电池中，也属于本发明的保护范围。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的石墨烯分散剂、其制备方法及石墨烯的制备方法进行说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
在3-胺基丙酸的水溶液（10mol/L，100mL）中加入氢氧化钠（40.0g,1.0mmol），搅拌十分钟，减压蒸馏除去水，得到的固体用丙酮洗涤一次，真空干燥，得到3-胺基丙酸钠111g。产率100%。反应方程式如下：
实施例2
在烧瓶中加入2.68g1,4,5,8-萘四甲酸二酐(10mmol)，3.33g实施例1制备的3-胺基丙酸钠(30mmol)和50mL N,N-二甲基甲酰胺，氮气气氛下100℃反应10小时。冷却后，反应液倒入乙醚中，过滤，得到的固体用乙醚洗涤三次，即得到3,3'-(1,4,5,8-萘四甲酸二酰亚胺-N,N'-)-二丙酸钠4.36g。产率96%。1H NMR(400MHz,D2O):δ(ppm)8.43(s,4H),4.28(t,4H),2.54(t,4H)。参见图1，图1为实施例2制备的3,3'-(1,4,5,8-萘四甲酸二酰亚胺-N,N'-)-二丙酸钠的核磁氢谱图。
反应方程式如下所示：
实施例3
在8-胺基辛基磺酸的水溶液（0.5mol/L,100mL）中加入氢氧化钾(2.80g,0.05mmol),搅拌十分钟，减压蒸馏除去水，得到的固体用丙酮洗涤一次，真空干燥，得到8-胺基辛基磺酸钾12.34g,产率100%。
反应方程式如下所示：
实施例4
在烧瓶中加入2.68g1,4,5,8-萘四甲酸二酐(10mmol)，7.41g实施例3制备的8-胺基辛基磺酸钾(30mmol)和50mL N,N-二甲基甲酰胺，氮气气氛下100℃反应10小时。冷却后，反应液倒入乙醚中，过滤，得到的固体用乙醚洗涤三次，得到8,8'-(1,4,5,8-萘四甲酸二酰亚胺-N,N-)-二辛基磺酸钾6.47g。产率91%。1H NMR(400MHz,D2O):δ(ppm)8.43(s,4H),4.12(t,4H),3.24(t,4H),1.72(m,4H),1.30(m,20H)。
反应方程式如下所示：
实施例5
在20-二十烷基硫酸的水溶液（0.5mol/L,100mL）中加入四甲基羟胺(1mol/L,50mL),搅拌十分钟，减压蒸馏除去水，得到的固体在石油醚中重结晶，真空干燥，得到四甲基-20-二十烷基硫酸铵23.35g,产率100%。
反应方程式如下所示：
实施例6
在烧瓶中加入1.34g1,4,5,8-萘四甲酸二酐(5mmol)，5.60g实施例5制备的四甲基-20-二十烷基硫酸铵(12mmol)和30mL N,N-二甲基甲酰胺，氮气气氛下100℃反应10小时。冷却后，反应液倒入二氯甲烷中，过滤，得到的固体用二氯甲烷洗涤三次，得到四甲基-20,20'-(1,4,5,8-萘四甲酸二酰亚胺-N,N-)-二十烷基硫酸铵6.31g。产率76%。1H NMR(400MHz,D2O):δ(ppm)8.43(s,4H),4.12(t,4H),3.89(t,4H),1.78(m,4H),2.56(s,24H),1.32(m,68H)。
反应方程式如下所示：
实施例7
将0.30g实施例2制备的3,3'-(1,4,5,8-萘四甲酸二酰亚胺-N,N'-)-二丙酸钠溶解于100mL水中，然后加入10g天然石墨。利用超声波细胞粉碎仪对该混合物在室温进行超声3小时，超声的功率为1mW/cm2。将得到的悬浊液5000rpm转速离心10分钟，取上层黑色液体，液体中有分散的石墨烯，石墨烯的浓度为1.6mg/mL。
将该溶液用聚四氟乙烯滤膜过滤，得到固体即石墨烯和3,3'-(1,4,5,8-萘四甲酸二酰亚胺-N,N'-)-二丙酸钠表面活性剂的混合物0.34g。将该固体分散在水中，然后过滤收集固体。重复三次，除去表面活性剂，得到纯的石墨烯0.15g。
实施例8
将0.60g实施例4制备的8,8'-(1,4,5,8-萘四甲酸二酰亚胺-N,N-)-二辛基磺酸钾溶解于100mL水中，然后加入20g天然石墨。利用超声波细胞粉碎仪对该混合物进行超声，超声的功率为7mW/cm2。在室温下超声600分钟。将得到的悬浊液5000rpm转速离心30分钟，取上层黑色液体，液体中有分散的石墨烯，石墨烯的浓度为3.8mg/mL。
将该溶液用聚四氟乙烯滤膜过滤，得到的固体即石墨烯和表面活性剂的混合物0.69g。将该固体分散在水中，然后过滤收集固体。重复三次，除去表面活性剂，得到纯的石墨烯0.36g。
参见图2，图2为实施例8制备的石墨烯的透射电镜图，由图2可知，本发明制备的石墨烯分散剂可以用于制备得到石墨烯，而且，本发明制备的石墨烯缺陷含量低。
实施例9
将0.30g实施例6制备的四甲基-20,20'-(1,4,5,8-萘四甲酸二酰亚胺-N,N-)-二十烷基硫酸铵溶解于100mL水中，然后加入20g天然石墨。利用超声波细胞粉碎仪对该混合物进行超声，超声的功率为1mW/cm2。在室温下超声10分钟。将得到的悬浊液5000rpm转速离心30分钟，取上层黑色液体，液体中有分散的石墨烯，石墨烯的浓度为0.8mg/mL。
将该溶液用聚四氟乙烯滤膜过滤，得到的固体即石墨烯和表面活性剂的混合物0.59g。将该固体分散在水中，然后过滤收集固体，重复三次，得到纯的石墨烯0.08g。
实施例10
将实施例7中离心得到的上层黑色液体用聚四氟乙烯滤膜（孔径0.22μm,直径47mm）抽滤，得到10μm厚的石墨烯膜，采用四电极法表征，得到的导电率为1.6S/cm，将该石墨烯膜于氩气气氛下600℃加热2小时，使石墨烯表面吸附的3,3'-(1,4,5,8-萘四甲酸二酰亚胺-N,N'-)-二丙酸钠表面活性剂完全分解。得到的石墨烯膜，采用四电极法测试，导电率为1260S/cm。
实施例11
将实施例7中离心得到的上层黑色液体，加水稀释至石墨烯的浓度为0.01mg/mL,用氧化铝滤膜（孔径0.45μm,直径47mm）抽滤后，将滤膜用1mol/L NaOH水溶液浸泡，除去氧化铝，再将得到的薄膜转移至水中，待溶液扩散为中性后，转移到透明基底PET上，80℃烘干，得到透明薄膜，用紫外吸收光谱仪表征，该透明薄膜在550nm处的透光率为76%，四电极法表征，该透明薄膜的面电阻为2×105Ω/sq。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的产品、方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种如式(I)、式(II)或式(III)所示的化合物作为石墨烯分散剂的应用，
其中，n为-CH2-基团的重复数，n选自1～20的整数，M+独立的选自H+,碱金属阳离子,NH4 +和季铵盐离子中的任意一种。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述M+独立的选自Li+,Na+,K+和(CH3)4N+中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述式(I)、式(II)或式(III)所示的化合物的制备方法，包括以下步骤：
氨基有机酸或氨基有机酸盐与1,4,5,8-萘四甲酸二酐在有机溶剂中反应，得到如式(I)、式(II)或式(III)所示的化合物；
所述氨基有机酸为如式(VII)、式(VIII)或式(IX)所示的化合物；
所述氨基有机酸盐为如式(IV)、式(V)或式(VI)所示的化合物；
其中，n为-CH2-基团的重复数，n选自1～20的整数；
M+独立的选自H+,碱金属阳离子,NH4 +和季铵盐离子中的任意一种；
A独立的选自碱金属阳离子,NH4 +和季铵盐离子中的任意一种。
4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，所述式(IV)、式(V)或式(VI)所示的化合物的制备方法为：
将式(VII)、式(VIII)或式(IX)所示化合物的水溶液与碱反应，得到式(IV)、式(V)或式(VI)所示的化合物。
5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述碱为碱金属的氢氧化物、氨水或季铵碱。
6.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，所述1,4,5,8-萘四甲酸二酐在有机溶剂中的浓度为0.1～1mol/L。
7.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，所述氨基有机酸或氨基有机酸盐在有机溶剂中的浓度为0.2～3mol/L。
8.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，所述反应的温度为80～130℃。
9.一种石墨烯的制备方法，包括以下步骤：
在含有权利要求1所述的化合物的水溶液中加入石墨，进行超声处理，得到含石墨烯的悬浊液；
将所述含石墨烯的悬浊液离心，取上清液，得到石墨烯。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述含有权利要求1所述的化合物的水溶液的浓度为1～10mg/mL。
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