[发明专利]带有离子液体阳离子基团修饰的具有导电性的单层石墨片的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种带有离子液体阳离子基团修饰的不需要还原和自身具有导电性的单层石墨片的制备方法。

背景技术

碳基复合材料由于具有质量轻，强度高，和电子传导率好一系列优异性能正被科学家们广泛关注，例如可以用在航空航天和军事领域上。(Kotov，A.N.Carbon sheet solutions.Nature 442，254-255(2006).)当前，碳基复合材料大多是用单壁碳纳米管来填充的，但是有单壁碳纳米管容易团聚；由碳纳米片的卷曲形成的纳米管则难以控制其直径和价格昂贵等局限性。(Price，B.K.Hudson，J.L.Tour，J.M.Green Chemical Functionalization of Single-Walled CarbonNanotubes in Ionic Liquids.J.Am.Chem.Soc.127，14867-14870(2005).)由于以上的原因，科学家们便将视野投向了单层石墨片，将其作为理想的侯选者。近几年来，由于单层石墨片和单壁碳纳米管一样具有大的表面积，表面上带有大量的π电子，有优秀的电子特性，并且与单壁碳纳米管相比其没有手性且价格低廉，而被科学家所关注。目前，公知制取单层石墨片的唯一方法是片状剥落碳的氧化物，但是用片状剥落碳的氧化物制得的单层石墨片由于在片层上存在羟基和环氧化合物的功能基，另外羰基和羧基出现在片的边缘，因而存在很多缺陷：首先是亲水性，不亲油，因而不能和高分子聚合物互溶；第二它是绝缘的，因此在制备导电复合材料的应用上也存在很多局限性。为解决这个问题Stankovich等人(Dikin，D.A.Dommett，G. H.B.Kohlhaas，K.M.Zimney，E.J.Stach，E.A.Piner，R.D.Nguyen，S.T.& Ruoff，R.S.Stankovich，S.Graphene-based compositematerials.Nature 442，282-286(2006))用苯基异氰酸盐来改变由片状剥落碳的氧化物制得的碳纳米片的表面特征，使形成的异氰酸盐修饰的碳的氧化物不再亲水，并且在极性质子惰性的溶液(N，N-二甲基甲酰铵)稳定分散，因此它能与很多聚合物形成聚合物复合材料。但是这样制得的复合材料是绝缘体，还需要加入少量的还原剂二甲肼恢复石墨的传导性。用Stankovich等人的方法得到碳基复合材料获得了良好的导电效果：渗流点(0.1体积百分含量)，最大电导率1S/m(西门子每米)。但是加入化学修饰剂和还原剂需要很长时间，而且在使复合材料凝聚的过程中Stankovich等人要使用大量甲醇，因此造成环境的污染以及时间的浪费。

发明内容

为了克服对碳的氧化物进行化学修饰和还原造成的负面影响，本发明提供带有离子液体阳离子基团修饰的具有导电性的单层石墨片的制备方法。该方法制备的单层石墨片不仅具有亲油性能和高分子聚合物互溶，而且具有良好的导电性，可以用来制备性能优良的导电复合材料。

本发明采用的技术方案是：用体积比为(1-20)∶1的水和离子液体作为电解液，石墨棒作为电极，在5-25伏电压下电解5-10小时，阳极石墨棒会象洋葱皮一样通过离子液体上的阳离子和石墨片层上的π键相互作用而片状剥落，反应完毕后将得到的片状剥落的单层石墨片，用无水乙醇洗干净，在干燥箱中50-60℃干燥2-10小时，得到带有离子液体阳离子基团修饰的具有导电性的单层石墨片；

所述的离子液体为1-丁基-3甲基咪唑四氟硼酸盐、1-戊基-3甲基咪唑四氟硼酸盐、1-己基-3甲基咪唑四氟硼酸盐、1-庚基-3甲基咪唑四氟硼酸盐、1-辛基-3甲基咪唑四氟硼酸盐、1-丁基-3甲基咪唑六氟磷酸盐、1-戊基-3甲基咪唑六氟磷酸盐、1-己基-3甲基咪唑六氟磷酸盐、1-庚基-3甲基咪唑六氟磷酸盐、1-辛基-3甲基咪唑六氟磷酸盐、氯化1-丁基-3甲基咪唑、氯化1-戊基-3甲基咪唑、氯化1-己基-3甲基咪唑、氯化1-庚基-3甲基咪唑或氯化1-辛基-3甲基咪唑。

本发明的有益效果是，发明了一种只用一步便可以制备带有离子液体阳离子基团修饰的具有导电性的单层石墨片的方法。其方法简单，反应速度快，对环境友好。该方法制备的单层石墨片不仅具有亲油性能和高分子聚合物互溶，而且具有良好的导电性，可以用来制备性能优良的导电复合材料。