一种氧化石墨烯功能化改性的方法技术

本发明专利技术涉及一种氧化石墨烯功能化改性的方法，基于对适合于氧化石墨烯接枝的改性官能团的设计，然后再根据设计的改性官能团选择合适的改性剂，并通过改性剂与氧化石墨烯在溶液中进行化学反应，使改性官能团接枝到氧化石墨烯的表面或边缘，得到改性氧化石墨烯，该方法采用液相化学法，通过对氧化石墨烯进行功能化改性，在其表面或边缘接枝上官能基团，便于后期针对不同的目标颗粒进行负载和包覆处理，也可以与高分子材料化学共聚/复合成新的功能材料，该方法适用于包覆、负载以及与高分子材料的功能化复合。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种氧化石墨烯功能化改性的方法，该方法适用于包覆、负载以及与高分子材料的功能化复合。
技术介绍
自2004年英国曼彻斯特大学的安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫成功合成出石墨烯以来，关于石墨烯的研究已经不仅仅停留在了理论上，而且还进行了大量的应用开发。作为最薄的二维单层材料，石墨烯的厚度只有0.335nm，碳原子之间形成与苯环类似的六角形，并且可以在一个平面上无限延伸。目前常见的石墨烯合成方法有四种，其中已实现规模化生产的是氧化还原法，该方法工艺简单、成本低、产率高。采用氧化还原法制备石墨烯时，氧化石墨烯是重要的中间产物，它具有石墨烯的一些基本特性。虽然石墨烯的比表面积大、催化活性高，但是由于石墨烯的亲水亲油性较差，因此不适合对颗粒进行液相的负载和包覆，或者难以与高分子材料直接进行功能化复合。而氧化石墨烯表面含有部分富氧官能团(主要是羟基、羧基)，因此可以溶于水中，适用于对微纳米惰性金属(半金属)的原位负载或包覆，但是对一些与水反应的活性金属，尤其是纳米尺寸的活性金属(半金属)的负载和包覆处理则比较困难，同时与高分子材料的功能化复合效果也不甚理想。目前已报道多数研究都是采用氧化石墨烯加入到金属盐溶液中，通过化学反应在氧化石墨烯表面上负载金属盐，然后再通过在还原气氛中高温烧结得到石墨烯负载纳米金属颗粒，该方法最大的问题是高温烧结过程可能会对活性金属的稳定性产生影响，经常不能得到石墨烯负载的活性金属。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种氧化石墨烯功能化改性的方法，该方法采用液相化学法，通过对氧化石墨烯进行功能化改性，在其表面或边缘接枝上官能基团，便于后期针对不同的目标颗粒进行负载和包覆处理，也可以与高分子材料化学共聚/复合成新的功能材料，该方法适用于包覆、负载以及与高分子材料的功能化复合。本专利技术的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：一种氧化石墨烯功能化改性的方法，包括如下步骤：(1)、将氧化石墨烯水溶液进行超声分散并搅拌均匀，得到澄清溶液；(2)、将改性剂滴入氧化石墨烯澄清溶液中搅拌回流，控制反应温度、滴加速率和回流时间，得到改性氧化石墨烯溶液；(3)、将改性氧化石墨烯溶液高速离心、过滤后得到改性氧化石墨烯的凝胶状产物；(4)、将改性氧化石墨烯的凝胶状产物清洗后，进行真空干燥，得到改性氧化石墨烯粉末；所述改性剂为乙二胺、己二胺、三乙醇胺、二乙醇胺、N,N-二乙基羟胺、N-乙酰基哌啶、N-乙酰基哌嗪、二甲基甲酰胺、异戊酰胺、乙酰胺、环氧乙烷或环氧丙烷。在上述氧化石墨烯功能化改性的方法中，所述步骤(1)中氧化石墨烯水溶液的浓度为0.5～10mg/mL。在上述氧化石墨烯功能化改性的方法中，所述步骤(2)中改性剂与氧化石墨烯的质量比为1：5～20。在上述氧化石墨烯功能化改性的方法中，所述步骤(2)中滴加速率为10～80滴/min。在上述氧化石墨烯功能化改性的方法中，所述滴加速率为40～60滴/min。在上述氧化石墨烯功能化改性的方法中，所述步骤(2)中反应温度为20～80℃。在上述氧化石墨烯功能化改性的方法中，所述步骤(2)中回流时间为1～5h。在上述氧化石墨烯功能化改性的方法中，所述步骤(3)中高速离心时间为5～30min，离心速度为4000～8000r/min。在上述氧化石墨烯功能化改性的方法中，所述步骤(4)中真空干燥温度为60～120℃，真空干燥时间为5～24h。在上述氧化石墨烯功能化改性的方法中，所述改性氧化石墨烯粉末的改性官能团包括胺基、羟胺基、酰基、酰胺基或环氧基团。本专利技术与现有技术相比具有如下有益效果：(1)、本专利技术采用液相化学法，通过对氧化石墨烯进行功能化改性，在其表面或边缘接枝上官能基团，便于后期针对不同的目标颗粒进行负载和包覆处理，也可以与高分子材料化学共聚/复合成新的功能材料。(2)、本专利技术通过溶液化学法在氧化石墨烯的表面或边缘处接枝新的官能团，并对工艺条件进行了优化设计，得到官能团改性氧化石墨烯，从而赋予了氧化石墨烯新的功能特性，可以满足不同的应用需求。(3)、本专利技术工艺方法简单、操作简便，产率高，成本低；(4)、本专利技术可以实现氧化石墨烯表面官能团的可控设计，改性后的氧化石墨烯具有特定功能，可以与金属、金属氧化物，金属离子盐等自组装得到功能化复合材料；(5)、本专利技术改性氧化石墨烯不仅可以溶于水中，而且还可以溶于其它有机溶剂中，从而赋予改性氧化石墨烯更多的功能，适用于包覆和负载处理。附图说明图1为本专利技术实施例1中胺基改性氧化石墨烯的红外光谱图；图2为本专利技术实施例1中胺基改性氧化石墨烯的有机溶液照片；图3为本专利技术实施例2中酰胺基改性氧化石墨烯的红外光谱图；图4为本专利技术实施例3中环氧基改性氧化石墨烯的红外光谱图；图5为本专利技术实施例4中羟胺基改性氧化石墨烯的红外光谱图；图6为本专利技术实施例5中酰基改性氧化石墨烯的红外光谱图.具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细的描述:本专利技术氧化石墨烯功能化改性的方法，具体包括如下步骤：(1)、根据氧化石墨烯自身的官能团结构特性，设计出在其表面或边缘处接枝新的官能团。官能团包括胺基、羟胺基、酰基、酰胺基或环氧基团。(2)、配置合适浓度的氧化石墨烯水溶液，并将氧化石墨烯水溶液置于3口烧瓶中进行超声分散并搅拌均匀，得到澄清溶液；氧化石墨烯水溶液的浓度为0.5～10mg/mL。(3)、根据设计的官能团选择改性剂，将改性剂缓慢滴入氧化石墨烯澄清溶液中搅拌回流，控制反应温度、滴加速率和回流时间，得到改性氧化石墨烯溶液。改性剂为乙二胺、己二胺、三乙醇胺、二乙醇胺、N,N-二乙基羟胺、N-乙酰基哌啶、N-乙酰基哌嗪、二甲基甲酰胺、异戊酰胺、乙酰胺、环氧乙烷或环氧丙烷。改性剂与氧化石墨烯的质量比为1：5～20。滴加速率为10～80滴/min，优选滴加速率为40～60滴/min，反应温度为20～80℃，回流时间为1～5h。(4)、将改性氧化石墨烯溶液高速离心、过滤后得到改性氧化石墨烯的凝胶状产物；高速离心时间为5～30min，离心速度为4000～8000r/min。(5)、将改性氧化石墨烯的凝胶状产物清洗5～6次后，置于真空烘箱中真空干燥，得到深棕色的改性氧化石墨烯粉末；真空干燥温度为60～120℃，真空干燥时间为5～24h。实施例1：步骤1：根据氧化石墨烯(GO)自身的官能团结构特性，设计出在其表面或边缘处接枝胺基。步骤2：配置浓度为3mg/mL的氧化石墨烯水溶液，并置于3口烧瓶中超声和搅拌均匀至澄清溶液。步骤3：根据设计的胺基官能团选择了改性剂乙二胺，将乙二胺缓慢滴入氧化石墨烯溶液中搅拌并回流一段时间，其中乙二胺与氧化石墨烯的质量比为1：10，控制反应温度为40℃，滴加速率为20滴/min，回流时间为4h，得到胺基改性氧化石墨烯溶液。步骤4：将胺基改性氧化石墨烯溶液以速度为5000r/min离心20min，过滤后得到胺基改性氧化石墨烯的凝胶状产物。步骤5：将上述凝胶状产物清洗5～6次后，置于90℃真空烘箱中干燥7h得到深棕色的胺基改性氧化石墨烯粉末。胺基改性氧化石墨烯粉末的结构式如下：H2N-GO。如图1所示为本专利技术实施例1中胺基改性氧化石墨烯的红外光谱图；由图1可见，与GO相比本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氧化石墨烯功能化改性的方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)、将氧化石墨烯水溶液进行超声分散并搅拌均匀，得到澄清溶液；(2)、将改性剂滴入氧化石墨烯澄清溶液中搅拌回流，控制反应温度、滴加速率和回流时间，得到改性氧化石墨烯溶液；(3)、将改性氧化石墨烯溶液高速离心、过滤后得到改性氧化石墨烯的凝胶状产物；(4)、将改性氧化石墨烯的凝胶状产物清洗后，进行真空干燥，得到改性氧化石墨烯粉末；所述改性剂为乙二胺、己二胺、三乙醇胺、二乙醇胺、N,N‑二乙基羟胺、N‑乙酰基哌啶、N‑乙酰基哌嗪、二甲基甲酰胺、异戊酰胺、乙酰胺、环氧乙烷或环氧丙烷。

【技术特征摘要】
1.一种氧化石墨烯功能化改性的方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)、将氧化石墨烯水溶液进行超声分散并搅拌均匀，得到澄清溶液；(2)、将改性剂滴入氧化石墨烯澄清溶液中搅拌回流，控制反应温度、滴加速率和回流时间，得到改性氧化石墨烯溶液；(3)、将改性氧化石墨烯溶液高速离心、过滤后得到改性氧化石墨烯的凝胶状产物；(4)、将改性氧化石墨烯的凝胶状产物清洗后，进行真空干燥，得到改性氧化石墨烯粉末；所述改性剂为乙二胺、己二胺、三乙醇胺、二乙醇胺、N,N-二乙基羟胺、N-乙酰基哌啶、N-乙酰基哌嗪、二甲基甲酰胺、异戊酰胺、乙酰胺、环氧乙烷或环氧丙烷。2.根据权利要求1所述的一种氧化石墨烯功能化改性的方法，其特征在于：所述步骤(1)中氧化石墨烯水溶液的浓度为0.5～10mg/mL。3.根据权利要求1所述的一种氧化石墨烯功能化改性的方法，其特征在于：所述步骤(2)中改性剂与氧化石墨烯的质量比为1：5～20。4.根据权利要求1所述的一种氧化石墨烯功...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾健，张小平，庞爱民，
申请(专利权)人：湖北航天化学技术研究所，
类型：发明
国别省市：湖北;42