[发明专利]一种绿色高效不饱和碳基材料制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种不饱和碳基材料制备方法，属于化学化工领域。涉及以取代甲烷、取代乙烯、取代环己烷为起始物，利用碱致碳碳偶联聚合制备不饱和碳基材料的方法。是一类反应条件较为温和，易于大规模生产放大的的不饱和碳基材料制备方法。 

背景技术

不饱和碳基材料是一类应用前景广阔、潜力巨大的碳基功能材料，其中的石墨烯(Graphene)、碳纳米管、碳基量子点、苯并稠环、导电聚合物等已被广泛应用到新型的光电材料、信息存储、传感检测、化工催化等众多领域。石墨烯是这类材料的典型代表之一，它是一种只有一个碳原子厚度的平面薄膜材料。由于其杰出的光电物理性质，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管、透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。 

自2004年石墨烯这类不饱和碳基材料被首次发现与制备出来后，引起全球科学界的极大兴趣，并相继发明一系列的制备石墨烯方法。已有的石墨烯制备方法可大致分为物理方法和化学方法两类。 

现有的物理方法主要是通过微机械剥离、液相或气相直接剥离等手段，把单层石墨片从石墨晶体中剥离出来，这种方法获得的单层石墨片比较完整，但缺点是此法利用摩擦石墨表面获得的薄片来筛选出单层的石墨烯薄片，其尺寸不易控制，并且通过微机械剥离方法制备得到的石墨烯生产成本昂贵，而通过液相或气相直接剥离方法往往会得到一堆石墨烯烂泥，难以分析与控制其物理性质，不利于工业化推广。 

化学法制备石墨烯这类不饱和碳基材料从基本原理上可分为：化学气相沉积法、晶体外延生长法、氧化还原法三类。现有的氧化还原法主要是以石墨为原料，先将其氧化制成可在溶液中分散的单层或多层氧化石墨，然后再用还原剂(如肼等)将其还原成薄层的石墨烯。尽管这种方法可以大量生产单层石墨，但由于被氧化的石墨较难被还原，从而导致其电学性能不足。而所谓的气相沉积法或晶体外延生长法基本都是基于将含碳的化合物通过化学反应或催化分解，将分子状态的碳转变成原子状态的碳，然后通过气相沉积或外沿生长等方式让碳原子在基底表面重新形成不饱和稠环结构的石墨烯。尽管这类方法基本可以实现一定规模的石墨烯制备，但仍存不足。一是需要超高温反应，设备昂贵、能耗高；二是反应往往需要使用稀有金属釕为基质或使用极其危险易燃的钠、钾等碱金属为原料，操作条件苛刻，生产成本高等。由此可见，现有的石墨烯这类不饱和碳基材料制备方法都存在一定不足，无法满足绿色高效的大规模制备需求。 

发明内容

本发明通过一种全新的化学机制，提供了简单高效、并易于大规模生产放大的、绿色节能途径制备不饱和碳基材料。本发明采用取代甲烷、取代乙烯或取代环己烷为起始物，通过将其在较温和反应条件下的碱化分解，生成化学活泼的含碳反应中间体，然后聚合成不饱和碳基材料。 

这里所述的碱致碳碳偶联聚合的不饱和碳基材料制备方法所用的起始物为取代甲烷(I)、取代乙烯(II)或取代环己烷(III)及其衍生物。其分子结构式为： 

其中R₁、R₂、R₃、R₄可以是相同的或不同的取代基，可以是分别是H、F、Cl、Br、I、R、Ar、CX¹₃、CX¹X²X³、NO₂、OR、SR、SO₂R、SOR、SO₃R、NHR、NRR¹、CHO、CH₂OR、CO₂R、OCOR、OCOCH₂R、CHYCHO、CY₂CHO、CHYCO₂R、CHYOR、SiX¹X²X³中任何一种原子或原子团。这里所述的X¹、X²、X³、Y和R，可以分别是H、F、Cl、Br、I、NO₂、OR、SR、NHR、NRR¹、(CH₂)_nCHO、(CH₂)_nCO₂R、(CH₂)_nX¹中的任何一种原子或原子团。而这里所述的Ar可以是单环或多环的芳香环或芳杂环取代基。