[发明专利]一种单层多孔石墨烯的化学制备方法

说明书

本发明公开了一种制备单层多孔石墨烯的新颖的化学方法，该技术解决了石墨烯的可控批量打孔以及孔洞的均匀分布。石墨烯打孔中所用反应试剂为KMnO₄，以冠醚定量接枝笼型倍半硅氧烷衍生物形成冠醚环组装体，以冠醚环组装体作为反应试剂的生长环境模板剂，在液相环境中定量络合确定微观数量的反应试剂。冠醚定量接枝笼型倍半硅氧烷衍生物与反应试剂的络合溶液在石墨烯上旋涂均匀成单分子膜，置于管式炉中加热除去有机物，然后在惰气氛中加热反应掉石墨烯上确定微观数量的碳原子组成的环，实现石墨烯精确打孔与孔洞均匀分布。单层多孔石墨烯的转移采用超声波和胶带从基底剥离。本发明制备的多孔石墨烯在盐水分离领域、电极材料等领域有着广泛的应用。

技术领域

本发明属于碳材料领域，尤其涉及一种单层多孔石墨烯及其化学制备方法。

背景技术

石墨烯是一种二维的由六元环堆积而成的碳材料。石墨烯具有良好的导电性、机械强度、光学性能、吸附性能，导热性能和很高的透明度，目前石墨烯是已知材料中最薄、强度最大的材料，从而石墨烯被应用于能源、机械、电子等行业。

自2004年英国曼彻斯特大学的Andre Geim教授与Kostya Novoselov首次采用胶带剥离得到石墨烯(Graphene)以来，石墨烯的研究就受到广大科学研究者重视和研究。石墨烯制备方法有：微机械剥离法、超高真空石墨烯外延生长法、化学气相沉积法、溶液剥离法等；所用碳源有甲烷，石墨粉以及液相环己烷等。

多面体低聚倍半硅氧烷POSS是由Si-O交替连接的硅氧骨架组成的无机内核，其形状如同一个“笼子”，故得名为笼型聚倍半硅氧烷，其三维尺寸在1～3nm之间，其中Si原子之间的距离为0.5nm，外部有机取代基团R之间距离为1.5nm，属于纳米化合物。这种特殊的结构特点使得POSS具有独特的物理和化学性质，具备有纳米粒子小尺寸效应，表面与界面效应，量子尺寸效应，宏观量子隧道效应，从而具备较强综合性能，主要应用在航天航空材料、多孔材料、聚合物改性及功能材料设计等方面。POSS在聚合物中的应用主要取决于R基，通过选择起始原料以及后期修饰，可以制备得到含有各种取代基团的POSS化合物，R基可以为反应性的基团，如烯基、环氧基、氨基等等，可以通过反应性的R基来与聚合物之间发生接枝或者聚合反应，从而产生聚合物之间化学键合作用，引入POSS基实现分子层上的均匀分散，提高聚合物性能。

在20世纪60年代，美国杜邦公司的C.J.Pedersen在研究烯烃聚合催化剂时首次发现了冠醚。冠醚最主要的特点之一，是可与各种金属盐、铵盐、有机阳离子化合物等形成稳定的配合物，可将阳离子螯合于环内，同时由于有朝外排列的脂肪烃基团，故使得生成的配合物可溶于非极性的有机溶剂。冠醚可使碱金属和有机碱金属化合物溶解在有机溶剂中，因而在有机合成、光学拆分、重金属螯合、分离、分析以及生理活性的医药、生物化学等方面得到广泛的应用。18-冠-6分子中的空腔大约为260～320pm，而离子直径为266pm的K⁺正好可以容纳进去，15-冠-5正好可以容纳钠离子；冠醚作为第一代超分子主体化合物，由于其结构简单、易于衍生化，且与多种正离子具有选择性络合作用，越来越广泛地被用作为超分子组装体的构筑单元。

自组装单分子膜(Self-Assembled Monolayers)是超分子化学的一个重要组成部分，是利用固体表面在稀溶液中吸附活性物质而形成的有序分子组织，在基片上形成取向紧密排列的一维、二维甚至三维有序单层膜。低维结构材料的物理、化学性能与基体材料有明显的不同，自组装单分子膜技术是自组装膜分子与基体材料之间，通过分子间氢键、范德华力、静电力、疏水作用力、π-π堆积作用、阳离子π-吸附等作用力，经过自发组装形成有序、热力学稳定的，并且具有某种特定功能的有机分子聚集体或超分子结构。