[发明专利]配位基团修饰的石墨烯的制备方法和应用

说明书

本专利是U.S.Provisional Application No.61/282,197 filed on December29,2009正式版。

本发明的领域

本发明涉及到通过化学修饰方法利用配位基团修饰氧化石墨烯的过程，以及配位基团修饰的石墨烯材料在饮用水净化、废水处理、电池材料、燃料电池、太阳能电池、聚合物复合材料、催化剂负载材料等方面的应用，以及用作催化剂制备和水处理设备的制备材料。

本发明的背景

石墨烯是由碳原子按六边形晶格整齐排布而成的碳单质，结构非常稳定。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导电性，如石墨烯被证实是世界上已经发现的最薄、强度最大的材料。由于石墨烯独特的力学和电学特性，石墨烯在许多方面都显示出其独特的应用前景。一般而言，由于具有较多的亲水性基团，如羟基、羧基、环氧基团，氧化石墨烯具有良好的水溶性，但氧化石墨烯也因此丧失了大部分导电性。相对应地，氧化石墨烯被还原成还原氧化石墨烯后，其表面的亲水性基团，如羟基、环氧基等被去除，而其表面π-π共扼键结构得到重新恢复，在其导电性得到恢复的同时失去氧化石墨烯的水溶性。从另一方面，还原氧化石墨烯和大多数聚合物的相容性交差，这限制了其进一步的用途。

已经有若干化学方法主要包括化学修饰技术来修饰还原氧化石墨烯以期改变氧化石墨烯表面的性质，其和其他物质的相容性，拓展其水溶性及油溶性。这些方法包括（1)物理吸附法吸附共能性基团到石墨烯表面。（2）利用共价键和方法连接功能性基团到石墨烯表面。这些技术取得了初步的进展。如表面吸附聚合物的石墨烯可增加其溶解性。但这种物理吸附的方法限制了其进一步的使用。由于单分子层间π-π相互作用，单层石墨烯在水中和有机溶剂中的分散非常困难。因而还原氧化石墨烯在水溶液中的行为未得到进一步的研究。

科学家尝试各种方法(Park Sungjin;Ruoff Rodney S,Nature Nanotechnology,(2009),4(4),217-24)，主要包括化学修饰技术来修饰还原氧化石墨烯，以期改变氧化石墨烯表面的性质，每种技术各有其优缺点，但还需要发展新的具有良好水溶性的石墨烯衍生物，同时拓展其工业应用范围。

本发明综述

本发明涉及到新型的石墨稀衍生物的分子设计与合成，及利用硅烷化试剂，羧基和酰胺等对石墨烯进行化学修饰的系列有机合成方法，以及这种衍生物的相关应用。所用材料和分子包括一种基础材料：石墨烯，包括或称为氧化石墨、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯。石墨烯系指从石墨中得到的单层或多层的石墨烯材料，厚度从0.1纳米到0.1毫米，大小从10纳米到1毫米。本发明中的配位基团包括乙二胺四乙酸、乙二胺三乙酸根（均称为EDTA）和其它可能的配合物基团。

本发明涉及到的配合物基团修饰氧化石墨烯包括以下的分子结构：G(A-B)x，其中G代表氧化石墨烯，A代表连接基团，A具有以下可能的结构：-(CH₂)m-、-NH-、-S-、-O-Si(-CH₂)_m(-OR¹)₂-、-C(=O)-、-C(=O)-O-、-C(=O)-O(CH₂)_m-、-C(=O)-NH-,-C(=O)-NH-(CH₂)_m-、-P(=O)₂-O-;其中m为1-12，R¹为或C₁-C₁₂烷基。B代表配位基团。氧化石墨烯对配位基团的基本比率（basic graphene oxide units:x）为1:0.00001到1：0.5。