[发明专利]一步反应合成功能化碳材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备功能化碳材料的方法，特别是一种一步反应合成功能化碳材料及其制备方法。

背景技术

碳材料一般包括石墨、金刚石、碳纳米管(carbon nanotubes，CNTs)、碳纳米洋葱(carbon nanoonions，CNOs)、碳球、碳纤维、石墨烯(graphene)等主要由碳原子经过SP²、SP³杂化轨道形成的物质。根据其杂化轨道的不同和结构形貌的差异，碳材料可以表现出完全不同而奇特的性质。如具有石墨状结构的碳材料可能具有良好的导电性，而具有金刚石结构的碳材料则可能是绝缘体。由于性质的不同，材料的应用领域也有所不同。一些新近发现的碳结构和材料由于具有独特的形貌和性能而倍受关注，如碳纳米管、碳纳米洋葱、石墨烯等。理想的碳纳米管是由六边形排列的碳原子构成的圆管，两端或一端可以由六边形、五边形及七边形排列的碳原子构成的端“帽”封端。根据碳原子排列的管层数，可分为单壁碳纳米管(Single-wall Nanotube，SWNT)、双壁碳纳米管(Double-wallNanotube，SWNT)和多壁碳纳米管(Multi-wall Nanotube，MWNT)。这是一种具有特殊结构(径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米及以上数量级)的准一维量子材料，以其独特的电子和力学性质而具有巨大的应用价值，迅速成为物理、化学、材料乃至生物学研究的热点。碳纳米管在超高模量纤维、平板场发射器、储氢材料、纳米反应器、分子芯片等高科技领域有着广泛的应用前景。石墨烯不但力学性能和电学性能优异，还可以制成很小的晶体管，为超高速计算机芯片带来突破。

但是，由于碳材料在一般溶剂中不溶解，也很难分散，使其加工困难，这大大限制了其在很多领域的应用，也对深入了解其结构性能等关系带来不便。因而，对其表面改性处理，制备可分散性或可溶解性碳材料越来越受到重视。

现在大多采用的碳材料改性方法是强酸或强氧化剂氧化法(如J.Liu，et al.，Science 1998，280，1253-1256)，可以在碳材料表面引入羧基，然后经过酰化等反应可以进一步引入羟基、氨基、溴基等反应性基团(如孔浩，高超，颜德岳，中国发明专利ZL2003 1 0108932.X；李文文，高超，中国发明专利ZL2005 10027731.6)，还可以进一步引发聚合，得到聚合物接枝的碳材料(如孔浩，高超，颜德岳，中国发明专利ZL03 1 41979.8)。这种强酸氧化法具有可靠、可重复性等优点，在学术研究中具有重要意义。但是，这种方法也具有一些缺点，如反应试剂为强酸或强氧化剂，对设备腐蚀性严重、三废处理麻烦，不利于规模化生产；另外，由于强氧化作用，对材料本身的破坏性严重，如可以把碳纳米管切割为很短的碎片等，是个失重反应，收率较低(一般小于70％)，不但不经济，而且对材料的性能造成不良影响。因此，寻找操作简便、适宜规模化生产的碳材料功能化方法十分重要和迫切。

发明内容

本发明的目的在于提供一种一步反应合成功能化碳材料及其制备方法，其原理是利用叠氮基经加热或紫外光照分解后产生的氮宾的超强活性，与碳发生反应，从而将有机组分共价连接于碳材料表面。

本发明的技术方案如下：

一、一步反应合成功能化碳材料的制备方法，以下均以重量份表示：

在反应器中加入1份碳材料和0.1～100份含叠氮基物质，以10～100kHz超声波处理0.1～100小时，在热浴100～220℃下，反应0.1～72小时，经抽滤、离心、洗涤、干燥后，得到一步反应合成的功能化碳材料；共价连接的功能化基的质量含量为1—70％，具有如下结构式：

其中，

R₁选自C1～C100的直链或支链烷基、环烷基、烷氧基、烷氨基、烷酰胺基、烷酯基、烷酮基、烷二硫基、烷硅基、烷磷酸酯基、氟烷基，吡啶基、取代吡啶基、苯基、取代苯基、苯氧基、苯酮基、苯巯基、蒽基、取代蒽基、萘基、取代萘基、芘基、取代芘基、苝基或取代苝基；

R₂选自R₁，还包括C0～C100的直链或支链烷基、环烷基、烷氧基、烷氨基、烷酰胺基、烷酯基、烷酮基、烷二硫基、烷硅基、烷磷酸酯基、氟烷基，吡啶基、取代吡啶基、苯基、取代苯基、苯氧基、苯酮基、苯巯基、蒽基、取代蒽基、萘基、取代萘基、芘基、取代芘基、苝基或取代苝基；