用于制备官能化石墨烯的方法和设备以及官能化石墨烯技术

本发明专利技术提供一种用于制备官能化石墨烯的方法和设备，以及一种官能化石墨烯，并且更具体地，涉及一种使用在亚临界条件或超临界条件下的流体以及官能化合物制备具有优异的导电性和导热性，以及阻隔性的官能化石墨烯的方法和设备，以及一种官能化石墨烯。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于制备官能化石墨烯的方法和设备，以及一种官能化石墨烯，并且更具体地，涉及一种使用在亚临界条件或超临界条件下的流体以及官能化合物制备具有优异的导电性和导热性，以及阻隔性的官能化石墨烯的方法和设备，以及一种官能化石墨烯。
技术介绍
石墨烯是一种作为天然存在于自然界的三维结构碳同素异形体的石墨的碳原子排列成二维片材形式的六边形平面结构的材料。石墨烯的碳原子形成SP2键，并具有单原子厚度的平面片材形式。石墨烯具有显著优异的导电性和导热性，并且物理性能(如优良的机械强度、柔软性、弹性、取决于厚度的量化透明度、高比表面积等等)可以通过存在于石墨烯中的原子的特定键合结构来解释。构成石墨烯的碳的四个外围电子中的三个形成sp2杂化轨道从而具有σ键，而剩下的一个电子和周围碳原子形成π键，以提供六边形二维结构。因此，石墨烯具有不同于其它碳同素异形体的能带结构，并且不具有带隙(bandgap)从而表现出优异的导电性；然而，石墨烯是一种半金属材料，其中电子的费米能级态密度是0，并且因此，根据其是否被掺杂，可以容易地改变电特性。相应地，由于石墨烯可以被广泛应用于汽车、能源、航空、建筑、制药和钢铁领域，以及各种电气电子领域，诸如新一代材料、电容器、电磁屏蔽材料、传感器、显示器等，其可取代硅电气电子材料，因此在各种领域中应用石墨烯的技术已有诸多研究在进行。作为制备石墨烯的方法，已研究了利用胶带从石墨片剥离石墨烯单层的透明胶带法或剥离法、化学气相沉积法、通过层叠在碳化硅基底(SiC)上的外延生长法、通过使用加热方式剥离石墨的热剥离法、化学氧化和还原法等等。在这些方法中，化学氧化和还原法的优点是可以大规模生产，提供经济上的可行性，并且可以容易地向石墨烯片中引入各种官能团。但该方法中，需要使用还原剂(如联氨等)用于石墨烯氧化物的脱氧反应，其中这些还原剂的大多数由于高腐蚀性、爆炸性、人体毒性等而是危险的，且所制备的石墨烯可能包括杂质等，使得导电性可能降低。此外，当将材料(如金属)插入分层结构之间以避免在形成石墨烯中形成的石墨烯的重堆现象(restackingphenomenon)时(金属插层)，待插入的颗粒(供体插入剂)的尺寸和分布不均匀，使得难以制备高质量的石墨烯。进一步，当将官能团引入石墨烯的表面以改善分散性并且赋予石墨烯官能性时，需要进行使用通用间歇式反应器在不同阶段的单独反应；然而，在这种情况下，很难将官能团均匀地分布在石墨烯的表面上，并且也很难调节待引入的官能团的量。由上可知，仍需要研究特别是采用经济、高效和低风险的工艺制备具有优异物理性能(如分散性、官能性、导电性等)的官能化石墨烯的方法。相关技术文献(专利文献1)韩国专利公开号KR2012-0013914A(专利文献2)韩国专利公开号KR2012-0006458A(专利文献3)韩国专利公开号KR2012-0114317A
技术实现思路
技术问题本专利技术致力于提供一种特别是采用经济和高效以及低风险的工艺制备具有优异的物理性质(如分散性、官能性、导电性等)的官能化石墨烯的方法和设备。此外，本专利技术致力于提供一种具有包括硫原子的官能团的官能化石墨烯。技术方案本专利技术的一个例示性的实施方式提供了用于制备官能化石墨烯的方法，包括：形成包括石墨氧化物、溶剂、以及同时包括胺基和硫原子的官能化合物的混合物；通过使所述混合物在所述溶剂的亚临界条件或超临界条件下反应形成所述官能化石墨烯；以及回收所述官能化石墨烯。此外，本专利技术的另一个例示性的实施方式提供了用于制备官能化石墨烯的设备，包括：混合部件，其形成包括石墨氧化物、溶剂、以及同时包括胺基和硫原子的官能化合物的混合物；预热器，其预热由所述混合部件供应的所述混合物；反应器，其连接到所述预热器的后端，并且使所述混合物在所述溶剂的亚临界条件或超临界条件下发生反应；冷却系统，其连接到所述反应器的后端并且冷却所述反应的产物；以及产物储存部件，其连接到所述冷却系统的后端并且从所述产物回收所述官能化石墨烯。进一步，本专利技术的另一个例示性的实施方式提供了一种具有包括硫原子的官能团的官能化石墨烯。有益效果根据本专利技术的用于制备官能化石墨烯的方法和设备，石墨烯氧化物可被有效还原，同时，可以制备硫原子被引入其基面和边缘的官能化石墨烯。由此，可以制备在各工业领域(诸如阻隔材料、轻质材料、能源、电池、电子设备、电气设备、半导体、显示器、家电用品、移动电话、纳米产业、生物技术、高分子复合材料、金属复合材料、涂料、膏剂、油墨等)能够作为材料使用的官能化石墨烯。此外，根据本专利技术，由于石墨表面的脱氧反应和官能化反应在亚临界条件或超临界条件下同时进行，因此可通过连续工序制备具有高还原度、高剥离性以及高分散性的高质量的官能化石墨烯。附图说明图1例示根据本专利技术的例示性的实施方式的制备官能化石墨烯的设备。图2例示根据本专利技术的例示性的实施方式的制备官能化石墨烯的设备。图3示出由本专利技术实施例1和对比实施例1得到的官能化石墨烯的拉曼光谱。图4示出由本专利技术实施例1得到的官能化石墨烯的红外光谱。图5示出由本专利技术实施例1和对比实施例1得到的官能化石墨烯的扫描电子显微镜(SEM)。图6示出由本专利技术实施例1和对比实施例1得到的官能化石墨烯的透射电子显微镜(TEM)。图7示出本专利技术的由制备实施例得到的石墨氧化物，由实施例1和2得到的官能化石墨烯的XPS光谱。图8示出本专利技术的石墨、由制备实施例得到的石墨氧化物、以及由实施例1和对比实施例1得到的官能化石墨烯的XRD结果。具体实施方式本专利技术的用于制备官能化石墨烯的方法包括：形成包括石墨氧化物、溶剂、以及同时包括胺基和硫原子的官能化合物的混合物；通过使所述混合物在所述溶剂的亚临界条件或超临界条件下反应形成所述官能化石墨烯；以及回收所述官能化石墨烯。此外，本专利技术的用于制备官能化石墨烯的设备包括：混合部件，其形成包括石墨氧化物、溶剂、以及同时包括胺基和硫原子的官能化合物的混合物；预热器，其预热由所述混合部件供应的所述混合物；反应器，其连接到所述预热器的后端，并且使所述混合物在所述溶剂的亚临界条件或超临界条件下发生反应；冷却系统，其连接到所述反应器的后端并且冷却所述反应的产物；以及产物储存部件，其连接到所述冷却系统的后端并且从所述产物回收所述官能化石墨烯。进一步，本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制备官能化石墨烯的方法，包括：形成包括石墨氧化物、溶剂、以及同时包括胺基和硫原子的官能化合物的混合物；通过使所述混合物在所述溶剂的亚临界条件或超临界条件下反应形成所述官能化石墨烯；以及回收所述官能化石墨烯。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.11.19 KR 10-2013-01410061.一种用于制备官能化石墨烯的方法，包括：
形成包括石墨氧化物、溶剂、以及同时包括胺基和硫原子的官能化合物
的混合物；
通过使所述混合物在所述溶剂的亚临界条件或超临界条件下反应形成所
述官能化石墨烯；以及
回收所述官能化石墨烯。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述同时包括胺基和硫原子的官能
化合物是选自以下化学式1、化学式2、和化学式3中的至少一种化合物：
[化学式1]
[化学式2]
[化学式3]
在化学式1、2和3中，
R1至R6彼此相同或不同，并且各自独立为氢、氨基、C1-C20烷基、
C3-C20环烷基、C1-C20烷氧基、C1-C20羟烷基、C2-C20烯基、C6-C20芳
基、C7-C20烷基芳基、C7-C20芳基烷基、C1-C20氨基烃基、C1-C20烃基
氨基、或C1-C20羟烷基氨基，以及
所述R1和R2中的至少一个、所述R3和R4中的至少一个、所述R5和
R6中的至少一个是氨基、C1-C20氨基烃基、C1-C20烃基氨基、或C1-C20
羟烷基氨基。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述溶剂包括水、醇、二氧化碳、

\t或它们的混合物。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述石墨氧化物通过用酸和氧化剂
处理石墨氧化物前驱物形成。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述石墨氧化物前驱物是选自石墨、
石墨烯、石墨纳米小片、石墨烯纳米小片、膨胀石墨、钻石、富勒烯、炭黑、
活性炭、木炭、碳纳米带、碳纳米线、碳纳米粘土、碳纳米管、沥青碳纤维、
碳纳米纤维、碳玻璃纤维和沥青中的至少一种。
6.如权利要求1所述的方法，其中，基于100重量份的所述石墨氧化物，
所述溶剂以10重量份至100,000重量份的量被包含。
7.如权利要求1所述的方法，其中，相对于包含在所述石墨氧化物中的
氧，所述同时包括胺基和硫原子的官能化合物以0.1至30的摩尔比被包含。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述亚临界条件或所述超临界条件
具有25℃至600℃的温度。
9.如权利要求1所述的方法，其中，所述亚临界条件或所述超临界条件
具有1atm至500atm的压力。
10.如权利要求1所述的方法，进一步包括，在形成所述混合物之后以
及在形成所述官能化石墨烯之前，将所述混合物预热到25℃至500℃。
11.如权利要求1所述的方法，进一步包括，在形成所述官能化石墨烯
之后以及在回收所述官能化石墨烯之前，高压过滤所述官能化石墨烯。
12.如权利要求1所述的方法，进一步包括，在形成所述官能化石墨烯
之后以及在回收所述官能化石墨烯之前，洗涤所形成的官能化石墨烯。
13.一种用于制备官能化石墨烯的设备，包括：
混合部件，其形成包括石墨氧化物、溶剂、以及同时包括胺基和硫原子
的官能化合物的混合物；
预热器，其预热由所述混合部件供应的所述混合物；
反应器，其连接到所述预热器的后端，并且使所述混合物在所述溶剂的
亚临界条件或超临界条件下发生反应；
冷却...

【专利技术属性】
技术研发人员：李镇瑞，都承会，全成胤，韩基雨，孔廷昊，
申请(专利权)人：韩化石油化学株式会社，
类型：发明
国别省市：韩国;KR