一种改性石墨烯的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种改性石墨烯的制备方法，所述方法包括：(1)将石墨、改性剂在水中分散，制备预处理的石墨分散液；(2)将步骤(1)中得到的预处理的石墨分散液进行剥离、改性，制备改性石墨烯分散液；(3)将步骤(2)中得到的改性石墨烯分散液进行冷冻干燥，得到改性石墨烯。本发明专利技术以石墨为原料，以钙黄绿素为剥离助剂和改性剂，利用微射流均质机超高剪切速率的作用，将石墨剥离成石墨烯的同时，对石墨烯进行改性处理，该方法原料来源广且廉价，主要为石墨和钙黄绿素，钙黄绿素生物毒性低，生产提取过程污染小；整个工艺以水为介质，不加强酸、强氧化剂，绿色环保；得到的石墨烯表面含有活性基团，且有高的电导率。且有高的电导率。且有高的电导率。

【技术实现步骤摘要】
一种改性石墨烯的制备方法


[0001]本专利技术涉及石墨烯改性领域，具体地，涉及一种以钙黄绿素为改性剂来制备改性石墨烯的方法。

技术介绍

[0002]石墨烯是一种二维薄片，由sp2杂化的碳原子层堆积而成，集优异的理论表面积(2630m2·
g
‑1)、杨氏模量(1.0TPa)、热导率(5000W
·
m
‑1·
K
‑1)、透光率(97.7％)、电导率(106S
·
m
‑1)、载流子迁移率(200000cm2·
V
‑1·
s
‑1)等特性于一体，并有量子霍尔效应和双极化电场效应。这些特性使得石墨烯在能源储存与转换、纳米复合材料、量子物理、催化、纳米电子学、光电探测器、生物材料等领域有着广阔的研究和应用前景。因此开发一种简单高效的石墨烯的制备方法极为重要。
[0003]在石墨烯的实际应用中存在一个问题，即在石墨烯分散的过程中，由于完整的石墨烯结构由苯环组成，化学稳定性强，表面呈惰性状态，与其他介质相互作用力较弱，但石墨烯层与层之间存在很强的π
‑
π相互作用，极容易导致片层堆叠，从而在溶液中发生团聚，难与其它有机或无机材料均匀复合。这一现象给石墨烯的应用和研究造成了极大的困难。
[0004]对石墨烯表面改性能够有效解决上述问题。通过在石墨烯表面引入特定的官能团，使石墨烯的性质发生改变。这些改变包括：改进石墨烯的分散性，阻止石墨烯片层之间发生再堆叠，提高石墨烯的表面活性，改进其物理、化学性质或赋予新的物理、化学性质。
[0005]目前，石墨烯的改性方法有很多种，主要分为两类，共价键改性和非共价键改性。共价键改性是利用石墨烯边缘或者缺陷处具有较高活性的特点，在这些部位利用共价键连接新的官能团，从而实现对石墨烯改性。传统的改性方法是利用化学反应对石墨烯进行处理，在表面上制造一定的缺陷，形成氧化石墨烯，使氧化石墨烯的表面富含羧基、羟基和环氧基等活性基团。利用这些活性基团与其他物质反应可实现石墨烯表面的共价键改性，但其缺点是改性的同时会用到强酸、强氧化剂破坏石墨烯的本征结构，改变其物理、化学性能，同时易引入杂质，废液污染大，且操作危险易发生爆炸。
[0006]除了共价键改性外，还可以通过非共价键连接的方式对石墨烯进行改性，这些非共价键包括：π
‑
π相互作用、离子键、氢键等。由于石墨烯本身具有高度共轭的结构，易与其他同样的共轭结构或含芳香环的小分子和聚合物产生π
‑
π相互作用。其优点在于改性过程不会破坏石墨烯的本征结构，保留其物理、化学性能，但缺点在于引入了其他成分(如表面活性剂)。

技术实现思路

[0007]为了改善上述技术问题，本专利技术提供一种改性石墨烯的制备方法，其是一种石墨烯的非共价键改性法，所述方法以石墨为原料，在分散介质中，加入改性剂钙黄绿素，利用微射流均质机剥离石墨，从而制备改性石墨烯。该方法制备工艺绿色低碳，生产成本低，效率高，产品质量好，应用前景非常广。
[0008]本专利技术的技术方案如下：
[0009]一种改性石墨烯的制备方法，所述方法包括如下步骤
[0010](1)将石墨、改性剂在水中分散，制备预处理的石墨分散液；
[0011](2)将步骤(1)中得到的预处理的石墨分散液进行剥离、改性，制备改性石墨烯分散液；
[0012](3)将步骤(2)中得到的改性石墨烯分散液进行冷冻干燥，得到改性石墨烯。
[0013]根据本专利技术的实施方法，步骤(1)中，所述改性剂为钙黄绿素；所述钙黄绿素的结构式如下所示。
[0014][0015]根据本专利技术的实施方案，步骤(1)中，所述改性剂的浓度为1
‑
20mg/mL，例如为5
‑
14mg/mL，或者为10
‑
20mg/mL，或为1
‑
12mg/mL。示例性地为1mg/mL、2mg/mL、4mg/mL、5mg/mL、6mg/mL、8mg/mL、10mg/mL、12mg/mL、14mg/mL、15mg/mL、16mg/mL、18mg/mL或20mg/mL。
[0016]根据本专利技术的实施方案，步骤(1)中，所述石墨的原料可以选自天然鳞片石墨、膨胀石墨、石墨粉等中的至少一种。进一步的，所述石墨的形态为粉体，例如石墨粉的目数为80目到5000目。
[0017]根据本专利技术的实施方案，步骤(1)中，所述预处理的石墨分散液中的石墨的浓度为1
‑
60mg/mL，例如为3
‑
17mg/mL，或者为15
‑
40mg/mL。示例性地为1mg/mL、3mg/mL、5mg/mL、6mg/mL、8mg/mL、10mg/mL、12mg/mL、14mg/mL、15mg/mL、17mg/mL、18mg/mL、20mg/mL、30mg/mL、35mg/mL、40mg/mL、50mg/mL或60mg/mL。
[0018]根据本专利技术的实施方案，步骤(1)中，分散可以采用高剪切分散乳化机剪切分散、或者采用超声分散、或者搅拌分散。
[0019]根据本专利技术的实施方案，步骤(1)中，分散的时间例如为1
‑
100min。
[0020]根据本专利技术的实施方案，步骤(1)具体可以为：(1a)将石墨加入到水中，再加入改性剂，使用高剪切分散乳化机剪切分散，得到预处理的石墨分散液。
[0021]根据本专利技术的实施方案，步骤(1)还可以为：(1b)将石墨加入到水中，再加入改性剂，然后进行超声处理，得到预处理的石墨分散液。
[0022]根据本专利技术的实施方案，步骤(1)还可以为：(1c)将石墨加入到水中，再加入改性剂，进行搅拌，得到预处理的石墨分散液。
[0023]根据本专利技术的实施方案，步骤(1a)中，分散的时间为1
‑
100min之间，例如15
‑
50min，示例性为15min、30min、50min、100min；所述高剪切分散乳化机的转速为100
‑
15000rpm，例如500
‑
10000rpm，示例性为1000rpm、2500rpm、5000rpm。
[0024]根据本专利技术的实施方案，步骤(1b)中，超声处理的时间为1
‑
10min；超声处理的功率为80
‑
200W。
[0025]根据本专利技术的实施方案，步骤(2)中，所述剥离、改性采用微射流均质机进行。
[0026]需要说明的是，步骤(2)中的“将预处理的石墨分散液进行剥离、改性”是指，通过一个步骤同时进行石墨分散液的剥离和改性，从而将石墨剥离成石墨烯并对石墨烯进行改性，得到改性石墨烯分散液。
[0027]根据本专利技术的实施方案，步骤(2)具体为：将所述预处理的石墨分散液加入微射流均质机进行剥离、改性，得到改性石墨烯分散液。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种改性石墨烯的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤(1)将石墨、改性剂在水中分散，制备预处理的石墨分散液；(2)将步骤(1)中得到的预处理的石墨分散液进行剥离、改性，制备改性石墨烯分散液；(3)将步骤(2)中得到的改性石墨烯分散液进行冷冻干燥，得到改性石墨烯。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述分散方式，选自高剪切分散乳化机剪切分散、超声分散、搅拌分散中的至少一种。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述改性剂为钙黄绿素；所述钙黄绿素的结构式如下所示；4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述改性剂的浓度为1
‑
20mg/mL。5.根据权利要求1
‑
4任一项所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述石墨的原料选自天然鳞...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑龙辉，林煌，张原野，翁子骧，吴立新，
申请(专利权)人：中国科学院福建物质结构研究所，
类型：发明
国别省市：