[发明专利]一种二维γ-石墨单炔粉末及其制备方法

说明书

本发明公开了一种γ‑石墨单炔粉末的制备方法，包括如下步骤：将摩尔比为1:3～18的六溴苯和碳化钙粉末作为反应前驱物，与无水乙醇混合制成浆液；将浆液容器口密封，在75℃～85℃下恒温搅拌23h～28h，使浆液中前驱物发生偶联反应；反应结束后，通过退火和洗涤除杂质，得到高纯度蓬松的γ‑石墨单炔粉末。本发明提供的γ‑石墨单炔粉末制备方法，实验过程更透明可控、对制备仪器要求较低、制备中耗能较少、大部分制备流程在常温常压空气氛围下就可进行、制备毒副性较小、操作环境好，可推广应用于工业化生产制备γ‑石墨单炔粉末。

技术领域

本发明属于二维碳材料半导体领域，具体涉及一种γ-石墨单炔粉末的制备方法。

背景技术

石墨炔(Graphyne)，是继富勒烯、碳纳米管、石墨烯之后，一种新的全碳纳米结构材料，1968年，著名理论家Baughman通过理论计算证实了石墨炔结构的存在。石墨炔具有丰富的碳化学键、大的共轭体系、宽面间距、优良的化学稳定性，被誉为是最稳定的一种人工合成的二炔碳的同素异形体。由于其特殊的电子结构及类似硅的半导体性能，石墨炔有望可以广泛应用于电子、半导体以及新能源领域。科学家也预测它在新能源领域将产生非比寻常的影响。

石墨炔是包含sp²与sp杂化的新型碳材料，2010年，我国中科院化学院的李玉良院士团队在世界上首次大规模制备出了石墨双炔薄膜，并用汉语命名为石墨炔，它是由1,3-二炔键将苯环共轭连接形成的具有二维平面网络结构的全碳高分子。在石墨炔族的成员中，从理论计算来看，γ-石墨单炔的稳定性还要大于γ-石墨双炔，γ-石墨单炔具有高稳定性和半导体特性的优点，其结构可视为由乙炔基键(sp-杂化碳)插入的修饰石墨烯(sp²-杂化碳)。2018年，复旦大学Cui.和Li.等人首次明确表明制备并表征了γ-石墨单炔，他们以PhBr₆和CaC₂作为前驱体，利用球磨机械化学反应合成出γ-石墨单炔。在此之后，γ-石墨单炔的制备主要以球磨制备为主。2020年，Ding等人以CaC₂和PhBr₆作为前驱体，利用超声波辐照法合成出了γ-石墨单炔。球磨法由于其本身制备特性，实验过程可控性较弱，且能耗较大；超声辐照法对于实验仪器的功率要求较高，一定程度上限制了该方法的工业化应用。本发明所提供的γ-石墨单炔制备方法操作更简单，对于实验制备仪器的要求较低，且制备过程更加透明可控。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种实验条件更简单易行，利于实现工业化生产的γ-石墨单炔粉末的制备方法。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种γ-石墨单炔粉末的制备方法，其特征在于，将摩尔比为1：3～18的六溴苯和碳化钙粉末与溶剂混合制成浆液，将浆液容器口密封，在75℃～85℃温度下恒温搅拌，使浆液中前驱物发生偶联反应，反应结束后，除杂质，得到高纯度蓬松的γ-石墨单炔粉末。

根据本发明，所述溶剂为纯度99.7％的无水乙醇。

进一步地，所述除杂质过程为：将偶联反应后的浆液烘干，得到的粉末在管式炉中在氩气或氮气氛围下进行退火，退火温度300℃～700℃，以挥发残余六溴苯；退火后粉末，依次进行稀酸洗涤、去离子水洗涤和乙醇洗涤，除去反应副产物和残留碳化钙后再次烘干。

优选地，所述六溴苯和碳化钙粉末利用球磨机各自球磨细化粒径制备；球磨机的球磨时间为0.5h～1.5h。

所述恒温搅拌的总时间为23h～28h，当恒温搅拌时间大于12h时，中间需要停止加热并降至室温6h～12h。

所述浆液容器口密封采用带有弹性的膜扎紧。

本发明的γ-石墨单炔粉末制备方法，实验过程更透明可控、大部分制备流程在常温常压空气氛围下就可进行、制备中耗能较少、使用的原料毒副性较小，操作环境好，更易应用在工业生产制备中。