一种采用多金属氧簇复合物制备石墨烯分散液的方法技术

一种采用多金属氧簇复合物制备石墨烯分散液的方法，属于化工与材料技术领域。包括氧化石墨烯的制备；氧化石墨烯的还原及其稳定水溶液的制备；多金属氧簇复合物的制备；多金属氧簇复合物相转移并分散石墨烯等四个步骤。本方法是将石墨烯的水溶液与多金属氧簇复合物的有机溶液混合后，多金属氧簇复合物的有机无机组分在油/水界面上会发生相分离，亲水的多金属氧簇朝向水相，疏水的烷基链朝向有机相，形成一个不对称的结构，进而裸露的多金属氧簇吸附在石墨烯片上，同时烷基链的疏水作用将石墨烯转移至有机相中。本发明专利技术所制备的石墨烯分散液中石墨烯以单片形式存在，且可以稳定一个月以上，所得的石墨烯复合材料有望应用于催化以及传感等领域。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】，属于化工与材料
。包括氧化石墨烯的制备；氧化石墨烯的还原及其稳定水溶液的制备；多金属氧簇复合物的制备；多金属氧簇复合物相转移并分散石墨烯等四个步骤。本方法是将石墨烯的水溶液与多金属氧簇复合物的有机溶液混合后，多金属氧簇复合物的有机无机组分在油/水界面上会发生相分离，亲水的多金属氧簇朝向水相，疏水的烷基链朝向有机相，形成一个不对称的结构，进而裸露的多金属氧簇吸附在石墨烯片上，同时烷基链的疏水作用将石墨烯转移至有机相中。本专利技术所制备的石墨烯分散液中石墨烯以单片形式存在，且可以稳定一个月以上，所得的石墨烯复合材料有望应用于催化以及传感等领域。【专利说明】
本专利技术属于化工与材料
，具体涉及一种采用多金属氧簇复合物作为稳定剂制备石墨烯低极性溶剂分散液的方法，所制备的石墨烯分散液中石墨烯以单片形式存在，且可以稳定一个月以上，所得的石墨烯复合材料有望应用于催化以及传感等领域。
技术介绍
石墨烯是一种新型的二维纳米碳材料，它是由Sp2杂化的碳原子以六边形排列形成周期性蜂窝状结构的单层原子晶体，厚度仅为0.35nm，是已知的最薄的二维材料，并具有许多优异的性质(K.S.Novoselov, A.K.Geim, S.V.Morozov, D.Jiang, Y.Zhang, S.V.Dubonos, 1.V.Grigorieva, A.A.Firsov, Science, 2004, 306, 666 ；A.K.Geim, K.S.Novoselov, Nat.Mater., 2007, 6, 183)。鉴于石墨烯的众多优异性质,许多石墨烯复合材料被相继开发，并在高性能纳米电子器件、传感器、储能、催化以及生物医学等领域展现出广阔的应用前景。目前通常采用还原的氧化石墨烯作为原料来大批量制备石墨烯复合材料，因此石墨烯的分散与 功能化成为关键问题。石墨烯层与层之间存在很强的吸附作用，使其极易团聚，只能分散在强极性溶剂中，如水，N-甲基吡咯烷酮，二甲基甲酰胺等(D.R.Dreyer, S.Park, C.ff.Bielawski, R.S.Ruo, Chem.Soc.Rev.，2010，39，228)，而在低极性溶剂中无法分散，如氯仿、甲苯等。分散性的问题限制了石墨烯在很多领域的应用。通常来讲，需要在石墨烯上修饰稳定剂才能使其分散在低极性溶剂中。例如，研究者们在石墨烯片上通过共价键修饰烷基链或聚合物链来提高其在低极性溶剂中的分散性(S.Niyogi, E.Bekyarova, M.E.1tkis, J.L.McWilliams, M.A.Hamon, R.C.Haddon, J.Am.Chem.Soc., 2006, 128, 7720 ；Y.Zhu, A.L.Higginbotham, J.M.Tour, Chem.Mater., 2009, 21, 5284 ；Y.S.Ye, Y.N.Chen, J.S.Wang, J.Rick, Y.J.Huang, F.C.Chang, B.J.Hwang, Chem.Mater., 2012, 24, 2987)。 但是，共价修饰通常涉及复杂的有机反应，不易于操作，随后，研究者们又发展了相对简单的非共价修饰方法，例如基于离子键(Y.Liang, D.Wu, X.Feng, K.Miillen, Adv.Mater., 2009, 21, 1679 ；S.Yin, Y.Zhang, J.Kong, C.Zou, C.M.Li, X.Lu, J.Ma, F.Y.C.Boey, X.Chen, ACS Nano, 2011，5，3831)，π - ji 相互作用(F.Li, Y.Bao, J.Chai, Q.Zhang, D.Han, L.Niu, Langmuir, 2010，26，12314)，疏水作用(T.Wei, G.Luo, Z.Fan, C.Zheng, J.Yan, C.Yao, ff.Li, C.Zhang, Carbon, 2009, 47, 2290)等。然而，目前采用的稳定剂均属于有机或聚合物分子，不包含无机组分，因此制备无机功能化的石墨烯同时又使其分散在低极性溶剂中仍是一个挑战。多金属氧簇是一类由过渡金属原子通过氧配位桥连接而成的单分子无机簇合物，具有丰富的化学组成和多样的骨架结构，并在催化、光、电、磁功能材料等方面展现出优异的性质(Μ.T.Pope, A.Miiller, Angew.Chem., Int.Ed.Engl., 1991, 30, 34 ；Special issueon polyoxometalates, Chem.Rev., 1998, 98, I ；D.L.Long, R.Tsunashima, L.Cronin, Angew.Chem.，Int.Ed.，2010, 49，1736)。近期研究表明，多金属氧簇与石墨烯之间有很强的吸附作用(H.Li, S.Pang, X.Feng, K.Miillen, C.Bubeck, Chem.Commun., 2010, 46, 6243 ；D.Zhou, B.Han, Adv.Funct.Mater., 2010, 20, 2717 ；R.Liu, S.Li, X.Yu, G.Zhang, S.Zhang, J.Yao, B.Keita, L.Nadjo, L.Zhi, Small, 2012，8，1398)。从原理上讲，这种吸附作用可以作为一种新的驱动力来分散石墨烯。但是，目前文献中未检索到采用多金属氧簇在低极性溶剂中分散石墨烯的相关报道。因此，开发一类基于多金属氧簇的稳定剂来分散石墨烯的方法极具创新性和实用价值。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种以多金属氧簇复合物作为稳定剂制备石墨烯低极性溶剂分散液的方法，该方法对常见的多金属氧簇复合物都普遍适用。本专利技术提出了一种以多金属氧簇与石墨烯之间的吸附作用为驱动力来稳定分散石墨烯的新思路。实验原理为:将石墨烯的水溶液与多金属氧簇复合物的有机溶液混合后，多金属氧簇复合物的有机无机组分在油/水界面上会发生相分离，亲水的多金属氧簇朝向水相，疏水的烷基链朝向有机相，形成一个不对称的结构，进而裸露的多金属氧簇吸附在石墨烯片上，同时烷基链的疏水作用将石墨烯转移至有机相中。该方法简单易行，所制备的石墨烯分散液非常稳定，且以单片形式存在。 本专利技术是通过以下技术方案实现的:先采用氧化剥离石墨法制备氧化石墨烯，通过超声、搅拌以及离心的方法裁解分离出尺寸较均一的氧化石墨烯片，并采用水合肼将其还原；多金属氧簇复合物的制备；将所得的石墨烯水溶液和多金属氧簇复合物的有机溶液混合搅拌，石墨烯即可从水相被转移至有机相，分液可得稳定的石墨烯有机分散液。在相转移过程中，多金属氧簇复合物起到了关键作用，一方面提供作用位点；另一方面提供稳定组分。本方法所制备的石墨烯分散液中石墨烯以单片形式存在，且可以稳定一个月以上，所得的石墨烯复合材料有望应用于催化以及传感等领域。本专利技术包括以下技术部分:1、氧化石墨烯的制备；2、氧化石墨烯的还原及其稳定水溶液的制备；3、多金属氧簇复合物的制备；4、多金属氧簇复合物相转移并分散石墨烯。1、氧化石墨烯的制备氧化石本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用多金属氧簇复合物制备石墨烯分散液的方法，其步骤如下：(1)氧化石墨烯的还原及其稳定水溶液的制备向浓度为0.05～0.2mg/mL的氧化石墨烯水溶液中加入质量分数85～95％还原剂水合肼进行还原，水合肼与氧化石墨烯的质量比为1～10:1，80～120℃反应0.5～4h，得到稳定的石墨烯水溶液。(2)多金属氧簇复合物的制备将阳离子表面活性剂溶于低极性有机溶剂中，浓度为1～5mg/mL；将多金属氧簇溶于水中，浓度为1～5mg/mL；在搅拌状态下，将表面活性剂的有机溶液滴加到多金属氧簇的水溶液中，表面活性剂的总电荷数与多金属氧簇的总电荷数的比为0.70～0.95:1，继续搅拌1～2小时后，水相中的多金属氧簇被转移到有机相中；用分液漏斗将有机相分出，有机相再用水洗2～5次，加无水硫酸钠干燥处理，最后过滤并蒸干溶剂得到多金属氧簇复合物；将多金属氧簇复合物溶于低极性有机溶剂中，浓度为0.4～2mg/mL。(3)多金属氧簇复合物相转移并分散石墨烯将步骤(1)中制备的石墨烯水溶液与步骤(2)制备的多金属氧簇复合物有机溶液混合，多金属氧簇复合物与石墨烯的质量比为4～10:1，搅拌1～3h后，下层变黑，上层无色，即氧化石墨烯被转移至有机相中，用分液漏斗分液即可得到稳定的石墨烯低极性溶剂分散液。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王珊，李昊龙，吴立新，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22