一种一维石墨烯及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种一维石墨烯及其制备方法，所述一维石墨烯的基本结构单元为碳六元环，所述碳六元环为sp2态碳原子组成的平面六元环，所述一维石墨烯的结构是由碳六元环在其不相邻的两条边的垂直方向上向外延伸，生成的直线结构或折线结构。本发明专利技术的技术方案的一维石墨烯晶体是条带状的线性结构，它的π‑电子产生的高导电性和导热性体现在一维线性方向上；一维石墨烯的条带结构可卷曲成螺旋状，从而避免了像二维石墨烯那样的平面堆垛现象的发生，可以保持一维石墨烯的优良物理性质。多股螺旋状一维石墨烯可以绞合成一维石墨烯缆绳，派生出更多的新材料，这些新材料既有超强的机械强度，又有超高的导电性和导热性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于材料
，尤其涉及一种一维石墨烯及其制备方法。
技术介绍
碳素材料是材料领域的一个重要分支，从上世纪末到本世纪，科研领域和
里不断涌现出新型碳同素异形体和碳素新材料。20世纪80年代以前，人们知道的碳的同素异形体只有石墨、金刚石和无定形碳3种，20世纪80年代后接连发现了新的碳的同素异形体：富勒烯(碳60，C60)和碳纳米管。特别是2004年发现的石墨烯(Graphene)是一种碳元素的原子尺度上的二维平面晶体，打破了传统物理学的概念，形成了科学上的新理论和新技术，也为材料科学领域带来一种神奇的新材料。石墨烯是一种有许多奇异性质的物质，引发了物理和化学理论的发展，也引发了材料科学的革命性变革。石墨烯是碳的一种二维平面晶体，它是由三维的石墨晶体从纵向剥离，最终得到的石墨的单层，即石墨烯，碳的二维平面晶体，一种新的碳的同素异形体。这种具有神奇性质的新材料风靡世界，引领科学和技术各领域的新发展方向。既然从三维石墨到二维石墨烯的蜕变带来了如此神奇的质的变化，如果把二维石墨烯的一维固定，另一维不断缩减，最后得到由石墨烯的基本结构单元碳六元环组成的一列，也就是一维的石墨烯。这种从二维到一维的蜕变是否会在科学理论界和材料领域再发生一个新的质变？本项专利技术提供了一维石墨烯晶体的结构和它的一种制备方法，可能是从碳的二维晶体到一维晶体这一新的质变的起点。
技术实现思路
针对以上技术问题，本专利技术公开了一种一维石墨烯及其制备方法，所述一维石墨烯与现有的二维石墨烯有不同的化学结构和电子结构，有特殊的化学性质和电子学性质。对此，本专利技术的技术方案为：一种一维石墨烯，所述一维石墨烯的基本结构单元为碳六元环，所述碳六元环为碳原子组成的平面六元环，所述一维石墨烯的结构是由碳六元环在其不相邻的两条边的垂直方向上向外延伸，生成的直线结构或折线结构。此技术方案中的一维石墨烯与现有的二维石墨烯有不同的化学结构和电子结构，有特殊的化学性质和电子学性质，在电子学、光学、材料科学、化学、物理学、生命科学和医药等诸多领域有重要的应用价值，具有重要的应用价值和科学理论意义。作为本专利技术的进一步改进，所述碳六元环是由sp2态碳原子组成的共轭π-平面结构，碳原子在π-平面上的3个σ-键的夹角均为120°。作为本专利技术的进一步改进，所述直线结构为所述碳六元环在其两条对边的垂直方向上向外延伸生成的条带结构；所述折线结构包括所述碳六元环在其两条相间的边的垂直方向上向外延伸生成的结构。作为本专利技术的进一步改进，所述一维石墨烯由sp2态碳原子构成，每个碳原子都处于条带边沿，分为两种状态，一种碳原子在条带边沿的凸点上，用两个σ-键与另外两个碳原子结合，用第三个σ-键与氢原子结合；第二种碳原子位于边沿的凹点，三个σ-键与其它的三个碳原子结合。作为本专利技术的进一步改进，所述一维石墨烯的边沿的氢原子可以被氟原子或其它一价原子或原子团取代。作为本专利技术的进一步改进，所述折线结构包括由直线结构的片段和折线结构的片段混合组成的条带结构。作为本专利技术的进一步改进，所述一维石墨烯包括氢原子被氟原子或除氟之外的一价原子或原子团取代的一维石墨烯。作为本专利技术的进一步改进，所述一维石墨烯为平面形态或者平面形态卷曲而成的螺旋形态。作为本专利技术的进一步改进，其以苯的衍生物为碳六元环的来源，以气体的含碳物质为碳原子来源，加入脱水剂和镁带，在330～380℃的密封容器中，苯的衍生物发生脱水反应，产生气态苯二炔，镁带与含碳物质反应产生碳原子，气态苯二炔在碳原子的参与下，在载体基片上进行沉积反应，生成一维石墨烯晶体薄膜。优选的，以三氧化二铝或氯化钙为脱水剂，以含碳物质为碳原子来源，以金属片、金属箔、或玻璃片为载体基片。本专利技术还公开了一种一维石墨烯的制备方法，其以苯的衍生物为碳六元环的来源，以气体的含碳物质为碳原子来源，加入脱水剂和镁带，在330～380℃的密封容器中，苯的衍生物发生脱水反应，产生气态苯二炔，镁带与含碳物质反应产生碳原子，气态苯二炔在碳原子的参与下，在载体基片上进行沉积反应，生成一维石墨烯晶体薄膜。作为本专利技术的进一步改进，以间苯二酚或苯的其它衍生物为碳六元环的来源，以三氧化二铝或氯化钙为脱水剂，以二氧化碳气体为碳原子来源，以金属片或玻璃片为载体基片，在330～380℃的密封容器中间苯二酚在三氧化二铝的作用下发生脱水反应，产生气态苯炔，镁带与二氧化碳气体在通电条件下产生碳原子，气态苯炔在碳原子的参与下，在载体片基上进行沉积反应，生成一维石墨烯晶体薄膜。作为本专利技术的进一步改进，所述的一维石墨烯的制备方法包括以下步骤：步骤S1：将脱水剂在干燥箱里进行活化处理，镁带去除表面的氧化物后待用；步骤S2：将脱水剂放入第一反应容器中，并加入苯的衍生物混合均匀；采用清洗后的金属片或者玻璃片作为载体基片，放在第一反应容器上，将第一反应容器放入到管式气氛炉中；步骤S3：在第二反应容器里放入镁粉，放在管式气氛炉里第一个反应容器的一侧，将一端连接导线的镁带放在第二反应容器的侧面；管式气氛炉先抽真空至-0.1mPa，再充氩气至常压，重复该操作；然后维持0.1L/min的氩气流量，将管式气氛炉升温至330～380℃，开始在氩气流中加通二氧化碳气流，给镁带通电，保持20～60min，优选的，保持30～40min；该步骤中，给镁带通电，引发镁带与二氧化碳的反应，在330～380℃下，镁带与二氧化碳气体反应产生碳原子；同时在330～380℃下，苯的衍生物与脱水剂发生脱水反应产生气态苯炔，气态苯炔在碳原子的参与下，在载体基片上进行沉积反应，生成一维石墨烯晶体；步骤S4：关闭二氧化碳气体，在氩气流中通入水蒸气，在300～350℃的温度下保持30min，然后关闭水蒸气，继续维持0.1L/min的氩气流量，管式气氛炉在330～380℃的温度下维持20～60min，然后冷却，得到一维石墨烯晶体的薄膜。此步骤中，关闭二氧化碳气体，在氩气流中改加水蒸气，在300～350℃的温度下保持30min，镁粉与水蒸气反应产生的氢原子与一维石墨烯边沿的碳的悬键充分结合。作为本专利技术的进一步改进，所述脱水剂为γ-三氧化二铝；所述金属片经过机械抛光和化学抛光处理后，再用乙醇、丙酮和蒸馏水洗涤；所述玻璃片用乙醇、丙酮和蒸馏水洗涤。作为本专利技术的进一步改进，所述苯的衍生物为间苯二酚，所述脱水剂为三氧化二铝。作为本专利技术的进一步改进，所述间苯二酚与三氧化二铝的质量比为1：(5～8)；所述间苯二酚与镁带的质量比为1：(2～5)；所述间苯二酚与镁粉的质量比为1：(2～3)。作为本专利技术的进一步改进，所述反应容器为瓷舟。作为本专利技术的进一步改进，所述的一维石墨烯的制备方法包括以下步骤：步骤S1：将脱水剂在干燥箱里进行活化处理，镁带去除表面的氧化物后待用；步骤S2：将脱水剂放入第一反应容器中，并加入苯的衍生物混合均匀；采用清洗后的金属片或者玻璃片作为载体基片，放在第一反应容器上，将第一反应容器放入到管式气氛炉中；步骤S3：将第一反应容器放入到坩埚内，第一反应容器与坩埚之间的间隙放置擦去氧化物的镁带，并在反应容器上放置清洁处理过的铜箔或玻璃片，盖上坩埚的盖子，将其置入反应釜中密封，然后升温至300～350℃之间，保持30～60min，冷却后取出铜箔或玻璃片，得到本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种一维石墨烯，其特征在于：所述一维石墨烯的基本结构单元为碳六元环，所述碳六元环为碳原子组成的平面六元环，所述一维石墨烯的结构是由碳六元环在其不相邻的两条边的垂直方向上向外延伸，生成的直线结构或折线结构。

【技术特征摘要】
1.一种一维石墨烯，其特征在于：所述一维石墨烯的基本结构单元为碳六元环，所述碳六元环为碳原子组成的平面六元环，所述一维石墨烯的结构是由碳六元环在其不相邻的两条边的垂直方向上向外延伸，生成的直线结构或折线结构。2.根据权利要求1所述的一维石墨烯，其特征在于：所述碳六元环是由sp2态碳原子组成的共轭π-平面结构，碳原子在π-平面上的3个σ-键的夹角均为120°。3.根据权利要求1所述的一维石墨烯，其特征在于：所述直线结构为所述碳六元环在其两条对边的垂直方向上向外延伸生成的条带结构；所述折线结构包括所述碳六元环在其两条相间的边的垂直方向上向外延伸生成的条带结构。4.根据权利要求3所述的一维石墨烯，其特征在于：所述折线结构包括由直线结构的片段和折线结构的片段混合组成的结构。5.根据权利要求1所述的一维石墨烯，其特征在于：所述一维石墨烯包括氢原子被氟原子或除氟之外的一价原子或原子团取代的一维石墨烯。6.根据权利要求4所述的一维石墨烯，其特征在于：所述一维石墨烯为平面形态或者平面形态卷曲而成的螺旋形态。7.一种如权利要求1~6任意一项所述的一维石墨烯的制备方法，其特征在于：其以苯的衍生物为碳六元环的来源，以含碳物质为碳原子来源，加入脱水剂和镁带，在330~380℃的密封容器中，苯的衍生物发生脱水反应，产生气态苯二炔，镁带与含碳物质反应产生碳原子，气态苯二炔在碳原子的参与下，在载体基片上进行沉积反应，生成一维石墨烯晶体薄膜。8.根据权利要求7所述的一维石墨烯的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：步骤S1：将脱水剂在干燥箱里进行活化处理，镁带去除表面的氧化物后待用；步骤S2：将脱水剂放入第一反应容器中，并加入苯的衍生物混合均匀；采用清洗后的金属片或者玻璃片作为载体基片，放在第一反应容器上，将第一反应容器放入到管式气氛炉中；步骤S3：在第二反应容器里放入镁粉，放在管式气氛炉里第一个反应容器的一侧，将一端连接导线的镁带放在第二反应容器的侧面；管式气氛炉先抽真空至-0.1mPa，再充氩气至常压，重复该操作；然后维持0.1L/min的氩气流量，将管式气氛炉升温至330~380℃，开始在氩气流中加通二氧化碳气流，给镁带通电，保持20~60min；步骤S4...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜奇石，唐培朵，黄华林，杜芳黎，龙思宇，黄日波，
申请(专利权)人：广西科学院，
类型：发明
国别省市：广西;45