[发明专利]β-石墨炔及其合成方法和在储能领域的应用

说明书

本发明公开一种β‑石墨炔及其合成方法和在储能领域的应用，属于有机合成领域。本发明提供一种β‑石墨炔的合成方法，所述合成方法以3‑(二溴甲烯基)‑1,4‑戊二炔为反应单体，在催化剂和溶剂的作用下，在惰性气体保护下于60～150℃进行Sonogashira偶联反应即得β‑石墨炔；其中，所述催化剂为钯催化剂和Cu(Ⅰ)盐的混合物，钯催化剂和Cu(Ⅰ)盐的摩尔比为1：10～1：1；所述溶剂为常规溶剂和有机胺类溶剂的混合溶剂；所述反应单体和钯催化剂的摩尔比为1：0.05～1：0.2。本发明提供的β‑石墨炔的合成方法原料廉价易得，工艺简单、成本较低，可用于实现工业化生产；并且该合成方法产率较高。

技术领域

本发明公开一种合成β-石墨炔及其合成方法和在储能领域的应用，属于有机合成领域。

背景技术

碳的同素异形体因碳原子所具有的sp、sp²、sp³三种不同的杂化形态而展现出特有的结构多样性和灵活性。金刚石和石墨是自然界中存在的碳的同素异形体，因为sp³杂化的碳原子空间三维排列导致前者是已知硬度最高的天然材料，而由sp²杂化的碳原子构成的石墨片层间只有相对较弱的范德华力，所以石墨可以比较容易地被剥离。随着近些年碳材料的研究深入，越来越多的碳的同素异形体被科学家们发现，如富勒烯、碳纳米管、石墨烯，它们分别对应了零维、一维、二维的全碳材料。尤其是石墨烯的发现更是打破了传统认为的二维碳材料热力学不稳定的观点，加之石墨烯拥有良好的机械强度、导电导热性能，使得它在如储能材料、电子器件上得到了广泛的应用。但是石墨烯的零能隙结构使得它需要经过一定的掺杂或是化学修饰等复杂过程才能在半导体领域得到应用。于是将sp杂化碳引入骨架当中，构筑一类新型的碳的同素异形体——石墨炔(Graphyne)成为了材料学家和化学家的一个新的研究热点。通过结构设计和理论预测，石墨炔是由sp和sp²杂化的碳原子构成的片层多孔结构，其高度共轭的碳材料骨架、交替排列的多级微孔和自带可调控的形貌和能隙结构使得其在光电、能源、催化等领域具有巨大的应用潜能，因而作为一种未知的二维碳材料受到了广泛的关注。

虽然石墨炔在理论计算和化学合成上处于研究热潮，但有关石墨炔的合成，目前只有一种基于六炔基苯合成的石墨二炔已被报道：Li等利用六炔基苯在铜片的催化作用下发生偶联反应，成功的在铜片的表面上合成了大面积的石墨炔薄膜(G.X.Li,Y.L.Li,H.B.Liu,Y.B.Guo,Y.J.Li,D.B.Zhu,Chem.Commun.2010,46,3256-3258.H.Zheng,Y.Li,H.Liu,X.Yin,Y.Li,Chem.Soc.Rev.2011,40,4506.H.Liu,J.Xu,Y.Li,Y.Li,Acc.Chem.Res.2010,43,1496.Y.J.Li,L.Xu,H.B.Liu,Y.L.Li,Chem.Soc.Rev.,2014,43,2572-2586.)。

但是，真正意义上的石墨单炔的合成问题目前并没有得到实质性的解决。

发明内容

针对上述缺陷，本发明提供了一种β-石墨炔的合成方法，所述方法原料廉价易得，工艺简单、成本较低，可用于实现工业化生产；并且该合成方法产率较高。

本发明的技术方案：

本发明要解决的第一个技术问题是提供一种β-石墨炔的合成方法，以3-(二溴甲烯基)-1,4-戊二炔为反应单体，在催化剂和溶剂的作用下，在惰性气体保护下于60～150℃进行Sonogashira偶联反应即得β-石墨炔；

其中，所述催化剂为钯催化剂和Cu(Ⅰ)盐的混合物，钯催化剂和Cu(Ⅰ)盐的摩尔比为1：10～1：1；所述溶剂为溶剂1和有机胺类溶剂的混合溶剂，溶剂1和有机胺类溶剂的体积比为1：1～6：1，所述溶剂1为N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、四氢呋喃、二氧六环、甲苯或氯仿中的至少一种；

所述反应单体和钯催化剂的摩尔比为：反应单体：钯催化剂＝1：0.05～1：0.2。