CN103771400A - 一种利用芘基苯甲酸聚醚脂双亲试剂制备石墨烯分散液的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用芘基苯甲酸聚醚脂双亲试剂制备石墨烯分散液的方法，以聚乙二醇单甲醚，对氨基苯甲酸和1-芘硼酸为原料，通过酯化反应得到亲水性长链的对氨基苯甲酸酸聚醚脂，再引入与1-芘硼酸反应的HBr，制备得到3,5-二溴代苯甲酸聚乙二醇单甲醚脂，继而再与芘硼酸反应合成了双性（亲水亲油）的石墨剥离剂；将此化合物和石墨烯溶解于H2O/Et溶液中，进行两次超声，静置处理后，再经离心得到稳定的石墨烯分散液。本发明无需对石墨烯进行氧化还原，因此对石墨烯结构的破坏性极小，能充分发挥石墨烯独特的导电和导热性能；制备的分散液具有良好的水相稳定性，为石墨烯在复合材料领域的应用提供了一条有效的途径。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用芘基苯甲酸聚醚脂双亲试剂制备石墨烯分散液的方法，确切的说是涉及一种芘基苯甲酸聚醚脂双亲试剂的合成以及利用其制备稳定石墨烯分散液的方法。
背景技术
石墨烯是一种单原子层二维共轭结构的新型碳素材料，其理论的比表面积高达2630m2/g。长期以来，科学界从理论上推断单层石墨烯晶体无法稳定存在。直至2004年英国曼彻斯特大学的Geim教授所领导的团队首次成功制备了单层石墨烯，这不仅让科学家们对石墨烯重新认识，更重要的是使人们认识到石墨烯与富勒烯和碳纳米管等纳米碳素材料相比具有更优异的性能如石墨烯具有超高导热性（导热系数高达5300w/m.k）、极佳的导电性（电子迁移率超过15000cm2/V·S）、优异的光学性能（光吸收率为2.3%）和超强的力学强度（130GPa）。根据目前各国石墨烯的研发情况，虽然石墨烯已经在微电子器件、新型化学电池和光伏领域有所应用，但是至今还未能形成产业化，阻碍石墨烯产业发展的根本性因素是当前的石墨烯的制备技术以及其在液相体系中的分散技术仍存在很大的局限性。
目前对石墨烯的科学研究和实际微量生产中普遍使用到的制备方法是首先通过强氧化剂氧化石墨从而增大其层间距，通过高温或者超声等方法制得氧化石墨烯，然后将上述的氧化石墨烯通过还原剂或者高温还原成石墨烯。此方法可以制备出克级别的石墨烯，但是氧化还原反应法存在两个无法避免的问题，其一是石墨烯在氧化的过程中破坏了π键和其晶体结构，使其导电性能迅速下降，甚至转变为半导体和绝缘体。其二，虽然通过还原的方法可以恢复其部分的电学性能，但是由于疏水基团的减少，氧化石墨烯的亲水性能发生不可逆转的减弱，在液相体系中迅速团聚。正是这两大问题阻碍了以Hummers法为代表的石墨烯制备方法的进一步应用。
针对此突出的问题，人们探索了三类非共价键法制备石墨烯分散液的方法。一类是是通过在与表面能和石墨烯接近的有机溶剂中超声剥离石墨烯，但是此方法溶剂一般具有较大的毒性且价格较贵，不适合大规模工业化应用。另一类是通过利用表面活性剂和石墨烯键的范德华力使表面活性剂分子吸附于石墨烯表面，再通过搅拌超声处理，在水溶液中形成稳定的分散相，此方法制备的石墨烯缺陷较少，但是制备的石墨烯中表面活性剂难以彻底脱除，未除去的表面活性剂分子一定程度上影响了石墨烯的性能，且该法制备出的石墨烯浓度较低。还有一类是通过官能团的低分子或者高分子与石墨烯形成层间非共价键作用（静电作用、氢键、配位键和π-π键作用），然后通过超声处理，剥离石墨制备出单层石墨烯。此类方法制备的石墨烯可以稳定存在与水相和油相中，且石墨烯缺陷很低。由于石墨烯与经高（超）分子链改性的非极性稠芳环形成的π-π键作用的强度比其他非共价键（静电作用、氢键和配位键）更高，石墨烯更能稳定的存在于水相或油相体系中。综合各类方法以及其效果，此种利用π-π键作用超声剥离石墨是当前石墨烯制备方法中较理想的方法，所以越来越引起人们的重视。如Dong-woo等人(Chem.Comm.,2011,47:8259-8261)通过改性四芘基聚醚以石墨为原料制备出选择性石墨烯溶液。又如Liu等人(J.Polym.Sci.,PartA:Polym.Chem.,2010,48:425-433)利用可逆加成-断裂链转移聚合反应(RAFT)合成制备了温度可控石墨烯溶液和石墨烯-聚合物复合材料，该石墨烯溶液和石墨烯-聚合物复合材料在小于24℃条件下可形成稳定溶液，而超过24℃则形成非稳定溶液。由于此类方法需要合成设计特殊结构的π-π堆垛有机分子，故合理设计并合成出该类聚合物改性的稠芳环有机物是π-π键作用制备石墨烯（溶液）的关键和难题。
发明内容
本发明所要解决的技术难题是，克服现有技术中石墨烯结构易被破坏和石墨烯液相分散体系稳定性差的问题，提供一种利用芘基苯甲酸聚醚脂双亲试剂制备石硫酸墨烯分散液的方法。本发明方法合成出聚醚改性的二芘基化合物中在不破坏石墨烯层结构同时，平面结构的芘基基团紧密与石墨烯贴合，两者在同一平面上方向形成较强烈的π-π作用；聚醚分子链可以和水溶液形成分子间氢键，显著提高了石墨烯在水相中的相容性和稳定性。
本发明的技术解决方案是，以聚乙二醇单甲醚，对氨基苯甲酸和1-芘硼酸为原料，通过酯化反应得到亲水性长链的对氨基苯甲酸酸聚醚脂，再引入与1-芘硼酸反应的HBr，制备得到3，5-二溴代苯甲酸聚乙二醇单甲醚脂，继而再与芘硼酸反应合成了双性（亲水亲油）的石墨剥离剂；将此化合物和石墨烯溶解于H2O/Et溶液中，进行两次超声，静置处理后，再经离心得到稳定的石墨烯分散液。
本发明的具体制备方法步骤如下：
（1）将聚乙二醇单醚和对氨基苯甲酸溶解于溶剂S1中，然后向其中加入1mL浓硫酸，生成沉淀，加热回流。然后将反应混合物转入250mL烧杯中，加入10%碳酸钠至pH≈9，抽滤，洗涤，用乙醚萃取，提纯得到产物A。将A，去离子水、40％HBr和一定量的30％H2O2室温混合均匀，提纯得到产物B。将B和1-硼酸芘溶解于溶剂THF中，向其中加入Na2CO3水溶液，再向其中加入四（三苯基膦）钯，在氮气氛下将混合物剧烈搅拌，加热回流一定时间，混合物分层，将水相层用二氯甲烷清洗两遍，提纯得到固体产物C。
（2）将100mg的石墨粉末和一定量的化合物C溶解于50ml的H2O/EtOH混合溶剂中，在冰水浴中超声24hrs，然后将混合溶液静置12hrs。接着向溶液中缓慢滴加2ml水，使溶液溶度稀释至0.1wt％，然后再次超声处理12小时，静置12hrs，最后经离心除去沉淀物后得到单层石墨烯分散液。
所述的聚乙二醇单甲醚的分子量为400～2000，优选为550～1500，更优选为750～1000。
所述的溶剂S1为氯仿、DMF、THF和NMP中的一种或者几种。
上述步骤（1）中聚乙二醇单醚和对氨基苯甲酸的投料摩尔比为1：1～1.5；HBr和H2O2的投料摩尔比为1：1～1.2；产物B和1-硼酸芘的投料摩尔比为1:2～4。
上述步骤（2）中产物C和石墨粉的投料摩尔比为1:500～1000。
本发明与现有技术相比，所具备的优点在于：
（1）合成双亲试剂C的原料来源广泛；合成出的双亲试剂用量很小，约为石墨摩尔用量的1/500～1/1000；
（2）合成的双亲试剂C可以直接用于石墨烯的剥离，无需繁琐的氧化还原步骤，且在剥离的过程中无需牺牲石墨烯的结构和电性能换取其在水中的分散性；
（3）合成的双亲试剂能够与石墨烯通过π-π作用形成强烈的作用，能够使石墨烯在水溶液中长期稳定的存在。
附图说明
图1为实施例3中合成芘基苯甲酸聚醚脂双亲试剂的反应流程图。
图2为实施例3中利用芘基苯甲酸聚醚脂双亲试剂制备的石墨烯分散液的TEM及电子衍射照片。
具体实施方式
实施例1
（1）将8g聚乙二醇单甲醚(Mn=750)和1.75g的对氨基苯甲酸溶解于溶剂THF中，将上述溶液转移到100mL圆底烧瓶中，然后向其中加入1mL浓硫酸，生成沉淀，加热回流30分钟。然后将反应混合物转入250mL烧杯中，加入10%碳酸钠至pH≈9，抽滤，洗涤，用乙醚萃取两次，提纯得到产物A。将3g的A，40ml水、40％20mmolHBr和一定量的30％20mmolH2O2室温混合均匀，提纯得到产物B。将1.00g的B和0.25g的1-硼酸芘溶解于溶剂THF中，向其中加入40ml的Na2CO3水溶液。然后向其中加入0.10g的四（三苯基膦）钯，在氮气氛下将混合物剧烈搅拌，加热回流24小时，混合物分层，将水相层用二氯甲烷清洗两遍，提纯得到固体产物C。
（2）将100mg石墨粉末和20mg化合物C溶解于H2O/醇混合溶剂中，在冰水浴中超声24hrs，然后将混合溶液静置12hrs。接着向溶液中缓慢滴加2ml水，使溶液溶度稀释至0.1wt％，然后再次超声处理12小时，静置12hrs，最后经离心除去沉淀物后得到单层石墨烯分散液。
实施例2
（1）将8g聚乙二醇单甲醚(Mn=1000)和1.64g的对氨基苯甲酸溶解于溶剂THF中，将上述溶液转移到100mL圆底烧瓶中，然后向其中加入1mL浓硫酸，生成沉淀，加热回流30分钟。然后将反应混合物转入250mL烧杯中，加入10%碳酸钠至pH≈9，抽滤，洗涤，用乙醚萃取两次，提纯得到产物A。将3.00g的A，40ml水、40％20mmolHBr和一定量的30％20mmolH2O2室温混合均匀，提纯得到产物B。将1.00g的B和0.25g的1-硼酸芘溶解于溶剂THF中，向其中加入40ml的Na2CO3水溶液。然后向其中加入0.10g的四（三苯基膦）钯，在氮气氛下将混合物剧烈搅拌，加热回流24小时，混合物分层，将水相层用二氯甲烷清洗两遍，提纯得到固体产物C。
（2）将100mg石墨粉末和12mg化合物C溶解于H2O/醇混合溶剂中，在冰水浴中超声24hrs，然后将混合溶液静置12hrs。接着向溶液中缓慢滴加2ml水，使溶液溶度稀释至0.1wt％，然后再次超声处理12小时，静置12hrs，最后经离心除去沉淀物后得到单层石墨烯分散液。
实施例3
（1）将8g聚乙二醇单甲醚(Mn=550)和2.19g的对氨基苯甲酸溶解于溶剂THF中，将上述溶液转移到100mL圆底烧瓶中，然后向其中加入1mL浓硫酸，生成沉淀，加热回流30分钟。然后将反应混合物转入250mL烧杯中，加入10%碳酸钠至pH≈9，抽滤，洗涤，用乙醚萃取两次，提纯得到产物A。将3.00g的A，40ml水、40％20mmolHBr和30％24mmolH2O2室温混合均匀，提纯得到产物B。将1.00g的B和0.93g的1-硼酸芘溶解于溶剂THF中，向其中加入40ml的Na2CO3水溶液。然后向其中加入0.10g的四（三苯基膦）钯，在氮气氛下将混合物剧烈搅拌，加热回流24小时，混合物分层，将水相层用二氯甲烷清洗两遍，提纯得到固体产物C。
（2）将100mg石墨粉末和9mg化合物C溶解于50mlH2O/醇混合溶剂中，在冰水浴中超声24hrs，然后将混合溶液静置12hrs。接着向溶液中缓慢滴加2ml水，使溶液溶度稀释至0.1wt％，然后再次超声处理12小时，静置12hrs，最后经离心除去沉淀物后得到单层石墨烯分散液。
Claims (6)
1.一种利用芘基苯甲酸聚醚脂双亲试剂制备石墨烯分散液的方法，其特征在于：以聚乙二醇单甲醚，对氨基苯甲酸和1-芘硼酸为原料，通过酯化反应得到亲水性长链的对氨基苯甲酸酸聚醚脂，再引入与1-芘硼酸反应的HBr，制备得到3，5-二溴代苯甲酸聚乙二醇单甲醚脂，继而再与芘硼酸反应合成了双性（亲水亲油）的石墨剥离剂；将此化合物和石墨烯溶解于H2O/Et溶液中，进行两次超声，静置处理后，再经离心得到稳定的石墨烯分散液。
2.如权利要求1所述的一种利用芘基苯甲酸聚醚脂双亲试剂制备石墨烯分散液的方法，其特征在于：具体工艺步骤如下：
1）将聚乙二醇单醚和对氨基苯甲酸溶解于溶剂S1中，然后向其中加入1mL浓硫酸，生成沉淀，加热回流；然后将反应混合物转入250mL烧杯中，加入10%碳酸钠至pH≈9，抽滤，洗涤，用乙醚萃取，提纯得到产物A；将A，去离子水、40％HBr和一定量的30％H2O2室温混合均匀，提纯得到产物B；将B和1-硼酸芘溶解于溶剂THF中，向其中加入Na2CO3水溶液，再向其中加入四（三苯基膦）钯，在氮气氛下将混合物剧烈搅拌，加热回流一定时间，混合物分层，将水相层用二氯甲烷清洗两遍，提纯得到固体产物C；
2）将石墨粉末和一定量的化合物C溶解于50ml的H2O/EtOH混合溶剂中，在冰水浴中超声24hrs，然后将混合溶液静置12hrs；接着向溶液中缓慢滴加2ml水，使溶液溶度稀释至0.1wt％，然后再次超声处理12小时，静置12hrs，最后经离心除去沉淀物后得到单层石墨烯分散液。
3.如权利要求2所述的一种利用芘基苯甲酸聚醚脂双亲试剂制备石墨烯分散液的方法，其特征在于：步骤1）中聚乙二醇单甲醚的分子量为550～1000。
4.如权利要求1所述的一种利用芘基苯甲酸聚醚脂双亲试剂制备石墨烯分散液的方法，其特征在于：步骤1）中所述的溶剂S1为氯仿、DMF、THF和NMP中的一种或者几种。
5.如权利要求1所述的一种利用芘基苯甲酸聚醚脂双亲试剂制备石墨烯分散液的方法，其特征在于：步骤1）中聚乙二醇单甲醚和对氨基苯甲酸的投料摩尔比为1：1～1.5；HBr和H2O2的投料摩尔比为1：1～1.2；产物B和1-硼酸芘的投料摩尔比为1:2～4。
6.如权利要求1所述的一种利用芘基苯甲酸聚醚脂双亲试剂制备石墨烯分散液的方法，其特征在于：步骤2）中产物C和石墨粉的投料摩尔比为1:500～1:1000。
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