[发明专利]一种边缘羟基化改性石墨烯及其制备方法

说明书

本发明公开了一种边缘羟基化改性石墨烯技术，改性后的石墨烯边缘具有丰富的羟基官能团，可以显著改善石墨烯在极性溶剂中的分散性。本发明通过含硼‑氢(B‑H)键的有机化合物与石墨烯边缘的活性双键进行硼氢化‑氧化反应，形成边缘含羟基的石墨烯。本发明改性石墨烯的制备方法还具有工艺简单，对设备无特殊要求，成本低、效率高，易于工业化生产等优点。

技术领域

本发明涉及石墨烯改性技术领域，具体涉及一种边缘羟基化改性石墨烯及其制备方法。

背景技术

石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。石墨烯具有理想的晶格结构和独特的光学、电学、热学和力学等性质，在电子器件、储能器件、生物和化学传感器及复合材料等领域有着广泛的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。

常见的石墨烯粉体的生产方法宏观上可分为化学法和物理法。其中化学法主要是通过强酸强氧化剂对石墨进行氧化，随后对其进行剥离制备氧化石墨烯，最后经过还原处理得到石墨烯。由于在强氧化过程中会严重破坏石墨烯片层的结构，虽然经过还原处理，石墨烯片层的电子共轭结构得到部分恢复，所得石墨烯材料的各项性能指标仍与高质量的石墨烯存在较大的差距。此外，石墨的氧化过程通常需要大量的强酸性氧化剂，如浓硫酸、浓硝酸、高锰酸钾等，而且其还原过程中又需要进行高温处理或使用水合肼、硼氢化钠等有毒的化学物质，不仅能耗大，效率低，成本高而且污染环境。物理法制备的石墨烯工艺环境友好且成本低，产品缺陷少、导电导热性优异、稳定性好、力学强度高，从可持续发展的角度考虑，物理法是制备石墨烯的最佳方法。然而，采用物理法制备得到的石墨烯无极性基团，与聚合物之间的相容性相对差，难以应用于诸如聚合物功能化等领域，且所得石墨烯片层的厚度也受到较大限制，难以制备得到较薄的石墨烯片层结构。因此，开发出一种相容性和导电性能优良，且方法简单易行，成本低、效率高，污染小，易大规模实施的石墨烯制备工艺具有重要的意义。基于以上问题，目前改性石墨烯的制备已成为大量石墨烯研究者的研究热点，但现有改性工艺通常会对石墨烯的原始结构造成破坏，从而导致其导电性大幅度降低。现有技术中有采用石墨和碱金属固体在高能球磨机中连续球磨，在分散于水中的石墨烯上加以低频高压的脉冲电流,可得到羟基化石墨烯。但是使用高能球磨机需要长时间研磨，耗能较大。

发明内容

有鉴于此，本发明基于石墨烯边缘具有大量的活性双键，通过含硼-氢(B-H)键的有机化合物与石墨烯边缘的活性双键进行硼氢化-氧化反应，形成边缘含羟基的石墨烯。本发明改性石墨烯的制备方法还具有工艺简单，对设备无特殊要求，成本低、效率高，易于工业化生产等优点。

本发明的一种边缘羟基化改性石墨烯的制备方法，其是采用改性剂与石墨烯进行改性反应，然后加入氧化剂进行氧化反应，后处理得到边缘羟基化改性后的石墨烯。

上述所述的制备方法中，优选的所述改性剂为硼氢化合物，所述氧化剂为过氧化物。所述硼氢化合物包括但不限于硼烷、甲硼烷，乙硼烷，丁硼烷，戊硼烷，三甲胺合硼烷，二甲基胺硼烷，硼氢化四甲胺，N,N-二乙基苯胺硼烷，硼烷二甲硫醚络合物，2-甲基吡啶硼烷，二乙基(3-吡啶)基硼烷，硼烷四氢呋喃络合物，硼烷三苯基膦络合物，硼烷吡啶络合物等等。所述过氧化物包括但不限于双氧水、过氧化苯甲酰、间氯过氧化苯甲酸等等。

上述所述的制备方法中，优选的，所述石墨烯与硼氢化合物重量比为100：1～1000，更优选为100：5-1000，最优选100：8-100。

上述所述的制备方法中，优选的所述后处理包括静置、过滤、洗涤、干燥的步骤。

上述所述的制备方法中，优选的所述改性反应以及氧化反应温度控制在40-300℃。

上述所述的制备方法中，优选的所述改性反应以及氧化反应过程中采用超声分散。反应体系可以为无溶剂体系、水、有机溶剂。