一种改性石墨烯及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种改性石墨烯的制备方法，包括如下步骤：（1）在-10℃~200℃下，将石墨和含极性官能团的物质按质量比1:0.1~50混合均匀，在一定的反应温度和反应时间下，通过一步反应或多步反应，将目标极性官能团接枝到石墨的片层上，所述目标极性官能团包括含极性官能团的物质中所含有的极性官能团和/或含极性官能团的物质与石墨反应产生的极性官能团；（2）除去步骤（1）中未反应完的原料和/或反应中产生的杂质，然后干燥、粉碎，得到接枝有目标极性官能团的粉状石墨；（3）将步骤（2）中的粉状石墨置于保护气体中，加热解理，得到片层上接枝有目标极性官能团的改性石墨烯，其中，目标极性官能团的含量占所述改性石墨烯的质量百分比为0.01~50%。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于石墨烯及其制备领域，具体涉及。
技术介绍
石墨烯(Graphene)是指碳原子之间呈六角环形排列的一种片状体，通常由单层或多层石墨片层构成，可在二维空间无限延伸，可以说是严格意义上的二维结构材料，自从英国曼彻斯特大学的安德烈·Κ·海姆(Andre K. Geim)等在2004年用机械剥离法制备出该材料以来，其优良的性能便受到了人们广泛的重视。石墨烯具有比表面积大、导电导热性能优良、热膨胀系数低等突出优点，具体而言高的比表面积(理论计算值2，630m2/g);高导电性、载流子传输率(200，OOOcm2/V*s);高热导率(5，000W/mK);高强度，高杨氏模量(1，IOOGPa)，断裂强度(125GPa)。因此 其在超级电容器和锂离子电池等领域具备极大的运用前景。当石墨烯片层上含有适量的极性官能团后，其组装得到的超级电容器会表现出赝电容的性质，因此具有更高的容量。现有的制备石墨烯的方法主要有(I)微机械剥离法，(2)超高真空石墨烯外延生长法，(3)氧化-还原法，(4)化学气相沉积法(CVD)，(5)溶剂剥离法，(6)电解法，(7)溶剂热法。均难以实现大批量的石墨烯生产。由此可见，制备一种含有多种类极性官能团的改性石墨烯以及开发一种能够大批量生产该石墨烯的方法已迫在眉睫。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是弥补上述现有技术的不足，提出，制备方法简单，能有效的控制制备的石墨烯片层上极性官能团的种类及数量，制备得到的改性石墨烯具有优良电化学性能。本专利技术的技术问题通过以下的技术方案予以解决一种改性石墨烯的制备方法，包括如下步骤(I)在-10°C 200°C下，将石墨和含极性官能团的物质按质量比为1:0. Γ50混合均匀，在一定的反应温度和反应时间下，通过一步反应或多步反应，将目标极性官能团接枝到石墨的片层上，所述目标极性官能团包括所述含极性官能团的物质中所含有的极性官能团和/或所述含极性官能团的物质与石墨反应产生的极性官能团；(2)除去步骤(I)中未反应完的原料和/或反应中产生的杂质，然后干燥、粉碎，得到接枝有目标极性官能团的粉状石墨；(3)将步骤(2)中的粉状石墨置于保护气体中，加热解理，得到片层上接枝有所述目标极性官能团的改性石墨烯，其中，所述目标极性官能团的含量占所述改性石墨烯的质量百分比为O. 01 50%。优选地，步骤(I)中，采用一步反应时，反应温度为35°C 100°C。优选地，步骤(I)中，采用多步反应时，每步的反应温度分别为T1，T2……Τη，其中T1〈T2〈T3，……〈Τη，且至少有一步的反应温度在彡35°C,n为反应的步骤数，η彡2。采用多步反应时，逐步升高温度进行反应有利于目标官能团的接枝。优选地，步骤(I)中所述含极性官能团的物质选自氨水、HN03、H3P04、H3As04、KMn04、H2SO4, H2SeO4, H6TeO6, HF、HC1、HC10、HC103、HClO4, HBrO3> HBrO4, H5IO6 和 HIO3 中的一种或它们的组合或者阴阳离子重组能够形成至少一种以上物质的混合物。优选地，步骤(3)中所述保护气体为N2、惰性气体和所述含极性官能团的物质热分解产生的气体中的一种或它们的组合。优选地，步骤(3)中所述保护气体的压强为O. OlPa-IOOMPa0优选地，步骤(3)中所述保护气体中含有所述含极性官能团的物质热分解产生的 气体，所述含极性官能团的物质热分解产生的气体的分压为O. OOOlPa 50MPa。优选地，步骤(3)中所述的加热解理的温度为80°C ^3000oC。优选地，步骤(I)中所述的反应时间为10mirT24h，步骤(3)中加热解理的时间为ls 48h。优选地，步骤(I)中，采用多步反应时，反应步骤为3步，反应温度依次为(TC 彡 Tl 彡 10°C，30°C彡 T2 彡 60°C，80°C彡 T3 彡 100°C，反应时间为 IOmirTlOh,步骤(3)中加热解理的时间为O. 5-10 h。一种由上述任意一项所述的方法制备得到的改性石墨烯，石墨烯片层上接枝有目标极性官能团，且所述目标极性官能团的含量占所述改性石墨烯的质量百分比为O.OI 50%。优选地，所述目标极性官能团的含量占所述改性石墨烯的质量百分比为O.I 20%。与现有技术相比，本专利技术制备的改性石墨烯具有以下优点首先，使用含极性官能团的化合物将石墨功能化，从而使石墨片层表面接枝有目标极性官能团，再将其置于保护气体中进行热解理，从而抑制该目标极性官能团的热分解该专利技术制备的改性石墨烯具有优良的电化学性能，电导率可达1000 s/cm，运用前景广阔，接枝有极性官能团的改性石墨烯作为超级电容器电极材料时，接枝的极性官能团能够使得其发挥赝电容性质，其赝电容可以达到200-600F/g，因此其能够发挥出更高的容量；同时，接枝有极性官能团的改性石墨烯与极性溶剂具有非常优异的相容性，因此其作为锂离子电池导电剂时，不会存在在极性溶剂中难以分散的问题。其次，使用该方法制备改性石墨烯，可以有效的控制接枝到石墨烯片层上的目标极性官能团的种类由于最终接枝到改性石墨烯片层上的目标极性官能团来自于功能化石墨时使用的物质中所含的极性官能团和使用的物质与石墨反应产生的极性官能团，因此在石墨片层上接枝目标极性官能团时，可以通过调节加入含极性官能团的物质的种类及功能化时间、热解理时保护气体的压强、解理温度及时间等参数，简单有效的控制制备的改性石墨烯中目标极性官能团的种类及数量；具体来说通过控制所使用的含极性官能团的物质的种类、反应的温度以及时间，可以有效的控制接枝到石墨片层上的目标极性官能团的种类和总量，同时，在热解理过程中，可以有效的控制解理反应的温度、时间、反应中保护气体的压强，从而控制接枝到改性石墨烯上的目标极性官能团的分解量，最终达到控制改性石墨烯上接枝的目标极性官能团的种类及总量。第三该方法制备改性石墨烯，工艺简单、成本低廉、易于工业化批量生产。具体实施例方式下面结合优选具体实施方式对本专利技术进行详细的阐述。本专利技术提供一种改性石墨烯的制备方法，在一种实施方式中，包括如下步骤(I)在-10°C 200°C下，将石墨和含极性官能团的物质按质量比为1:0. Γ50混合均匀，在一定的反应温度和反应时间下，通过一步反应或多步反应，将目标极性官能团接枝到石墨的片层上，所述目标极性官能团包括所述含极性官能团的物质中所含有的极性官能团和/或所述含极性官能团的物质与石墨反应产生的极性官能团； (2)除去步骤(I)中未反应完的原料和/或反应中产生的杂质，然后干燥、粉碎，得到接枝有目标极性官能团的粉状石墨；(3)将步骤(2)中的粉状石墨置于保护气体中，加热解理，得到片层上接枝有所述目标极性官能团的改性石墨烯，其中，所述目标极性官能团的含量占所述改性石墨烯的质量百分比为O. 01 50%。在其他一些优选实施方式中，当步骤(I)中采用一步反应时，反应温度为35°C 10(TC。当步骤(I)中采用多步反应时，每步的反应温度分别为Tl，T2……Tn，其中Τ1〈Τ2〈Τ3，……〈Τη，且至少有一步的反应温度在彡35°C，η为反应的步骤数，η彡2。在进一步优选的实施方式中步骤(I)中所述含极性官能团的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种改性石墨烯的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）在？10℃~200℃下，将石墨和含极性官能团的物质按质量比为1:0.1~50混合均匀，在一定的反应温度和反应时间下，通过一步反应或多步反应，将目标极性官能团接枝到石墨的片层上，所述目标极性官能团包括所述含极性官能团的物质中所含有的极性官能团和/或所述含极性官能团的物质与石墨反应产生的极性官能团；（2）除去步骤（1）中未反应完的原料和/或反应中产生的杂质，然后干燥、粉碎，得到接枝有目标极性官能团的粉状石墨；（3）将步骤（2）中的粉状石墨置于保护气体中，加热解理，得到片层上接枝有所述目标极性官能团的改性石墨烯，其中，所述目标极性官能团的含量占所述改性石墨烯的质量百分比为0.01~50%。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨全红，游从辉，魏伟，吕伟，李宝华，康飞宇，
申请(专利权)人：清华大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：