[发明专利]基于氢键构筑的功能化石墨烯超分子杂化材料及其制备

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯基超分子杂化材料及其制备方法，特别是一种基于氢键构筑的功能化石墨烯超分子杂化材料及其制备方法，属于材料制备领域。

背景技术

石墨稀自2004年被Geim研究小组成功制备以来，源于其优异的物化性能，使其很快成为物理学、化学、材料学等诸多领域的国际热点课题之一。到目前为止，常采用功能化石墨烯（functionalized graphene）来实现石墨烯的科学应用。该类方法的初始步骤一般要经过石墨的深度氧化成为氧化石墨的过程。

氧化石墨烯（graphene oxide，GO）表面和边缘含有的大量含氧功能性基团使化学修饰成为可能。即宏量制备石墨烯基纳米材料的方法依然以化学方法为主。通过共价或非共价化学修饰解决石墨烯易团聚，很难溶于水及常用有机溶剂等科学问题，这也是目前最重要和最具挑战的工作之一。

目前，石墨烯的有机共价功能化仍占有主导地位，主要包括异氰酸酯法、酯化、酰胺化、硅烷化法、亲核取代及相转移技术等。通过这些改性的方法可以破坏氧化石墨层之间的氢键，使得改性后的氧化石墨烯能在有机溶剂中有很好的分散。（1. Niyogi S, Bekyarova E, Itkis M E, McWilliams J L, Hamon M A, Haddon R C. Solution Properties of Graphite and Graphene. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128 (24): 7720~7721. 2. Stankovich S, Piner R, Nguyen S, Ruoff R. Synthesis and exfoliation of isocyanate-treated graphene oxide nanoplatelets. Carbon 2006, 44 (15): 3342~3347.）

但在上述方法中，材料制备所需的反应温度一般都比较高（120 ℃），并且调节纳米材料的溶剂分散性能需要多次采用毒性较大的偶联剂，且合成步骤操作繁琐，难于工业化大规模生产。

超分子化学将四大基础化学有机地融合为一个整体，是研究两种以上的化学物种通过分子间力相互作用缔结而成的具有特定结构和功能的超分子体系的科学。它是一门处于近代化学、材料化学和生命科学交汇点的新兴学科。基于氢键的超分子自组装石墨烯杂化材料可以较好地解决这一问题。

发明内容

本发明针对现有技术存在的反应温度高、操作繁琐等不足，提供一种基于氢键构筑的功能化石墨烯超分子杂化材料。

本发明的另一目的是提供一种基于氢键构筑的功能化石墨烯超分子杂化材料的制备方法，该方法主要步骤只需在室温下进行，通过链长的改变即可调节材料的溶剂分散性能。并利用超分子自组装技术，通过简单的搅拌，过滤等常规操作，在室温下就可简单制备，同时可实现在低极性有机溶剂中的高分散及热稳定性能。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于氢键构筑的功能化石墨烯超分子杂化材料，其结构通式为：

上述基于氢键构筑的功能化石墨烯超分子杂化材料通过将天然石墨粉强氧化处理得到氧化石墨固体，再经超声分散，将其用4-羟基吡啶酚进行功能化后，均匀分散于N, N-二甲基甲酰胺（DMF）溶剂中，加入没食子酸衍生物的氯仿溶液，室温搅拌、过滤后，得到石墨烯基超分子杂化材料。

其具体的工艺包括以下步骤：

步骤1、采用改进后的Hummers方法以天然石墨粉制备氧化石墨固体；

步骤2、制备氧化石墨烯DMF悬浮液；

步骤3、制备二氯亚砜活化的氧化石墨烯；

步骤4、制备4-羟基吡啶功能化的石墨烯基杂化体（GO-HOP）；

步骤5、制备树枝状的有机修饰分子（GAD）；

步骤6、将步骤5的有机修饰分子的氯仿溶液加入到步骤4的石墨烯基杂化体的DMF悬浮液中，室温搅拌；

步骤7、减压过滤、洗涤、干燥后即得到石墨烯基超分子杂化材料（GO-HOP-GAD）。

步骤2中所述的氧化石墨和DMF溶剂的比例为7.5~15 mg/mL，所述的制备条件为超声下，所述的超声时间为6~10h。

步骤3中所述的二氯亚砜活化的氧化石墨烯所需的反应温度为60~80 ℃。 

步骤4中所述的氧化石墨和4-羟基吡啶的比例为0.25~0.5 mg/mg，反应温度为70~90 ℃。

步骤5中所述的有机修饰分子（GAD）为没食子酸与溴代烷合成的有机衍生物。