[发明专利]制备官能化的石墨烯的方法

说明书

交叉引用的相关申请

本申请要求2011年8月4日提交的美国申请No.13/198342的权益，其在此整体引入作为参考。

发明背景

纳米颗粒通常在多种新应用中获得了越来越多的应用，从具有不同物理性能的复合材料到改进的电子装置。随着纳米颗粒的实用性的增加和成本的降低(其与几年前相比变得可以以相对量利用)，在调整纳米颗粒的性能来进一步适应更高级的应用所需方面更令人感兴趣。

已经检查了衍生纳米颗粒来改变它们的性能和调整它们的环境相互作用，用于反应性和合适的条件，包括碳质纳米颗粒(例如纳米管、纳米石墨、炭黑等)的那些。例如，美国专利申请公开No.2010/0592463公开了在还原性烷基化(有时候在本领域中称作还原性胺化)条件下衍生碳粒子，包括纳米管。但是，使用了在液氨中溶解金属的标准技术的这种反应，需要低温，并且通常不易于规模化。此外，液氨会与某些官能团(例如酯、酸酐和酰基氯)反应，因此与这些官能团不相容。

发明内容

现有技术中上面和其他的缺点可以通过在一个实施方案中，一种制备官能化的石墨烯的方法来克服，该方法包括在配位溶剂存在下，用碱金属处理石墨烯，和加入官能化化合物。

在另一实施方案中，一种制备官能化的石墨烯的方法包括将碱金属溶解在配位溶剂中，加入石墨烯，和加入官能化化合物。

在另一实施方案中，一种制备官能化的石墨烯的方法包括将四氢呋喃与萘合并，将碱金属溶解在四氢呋喃和萘的合并物中，加入石墨 烯，和加入官能化化合物。

具体实施方式

这里公开的是一种官能化的石墨烯的新方法。在该方法中，已经发现石墨烯(其具有类似于纳米管的延伸的π电子系统，但是在该延伸的系统中不具有散布的五元环)可以使用溶解金属的技术来衍生，而不需要使用液氨来溶解该金属(即，碱金属)。代替的，使用配位溶剂(例如醚，如四氢呋喃)来帮助溶解和来稳定金属化的石墨烯中间体。另外，包括芳烃(例如萘)作为电子转移剂，来将电子从碱金属(例如钠)转移到石墨烯，和将所形成的阴离子用阴离子反应性化合物处理，来进行改性。以此方式，通过改进的Birch还原来官能化石墨烯，而不使用氨或者其他胺溶剂，特别是伯胺或者仲胺。所得到的方法是一种通用的、更安全和可更大规模化的方法，用于石墨烯官能化。

该制备官能化的石墨烯的方法因此包括在配位溶剂存在下用碱金属处理石墨烯，和加入官能化化合物。

根据这里公开的方法来衍生石墨烯，包括纳米石墨烯和石墨烯纤维。石墨烯和纳米石墨烯实际上是标称厚度的二维颗粒，具有一层或多层的稠合的碳原子六边形环，其具有延伸的离域的π电子系统，通过π-π堆叠相互作用而分层和彼此弱键合。通常石墨烯(包括纳米石墨烯)可以在一个实施方案中是这种延伸的碳环的单片，或者在另一实施方案中是这种延伸的碳环的几个片的堆叠体。在一些实施方案中，该片具有微米级尺寸(即，平均粒度小于约1μm)；纳米级尺寸(即，平均粒度大于或等于约1μm)；或者微米级和纳米级尺寸二者。作为此处使用的，“平均粒度”指的是基于颗粒的最大线性维度(有时候称作“直径”)的数均粒度。粒度(包括平均的、最大的和最小的粒度)可以通过适当的测定粒子尺寸的方法来测定，例如使用激光光源的静态或者动态光散射(SLS或DLS)。

例如，在一些实施方案中，石墨烯的平均粒度是约1-约20μm，具体地约1-约15μm，和处于纳米级尺寸的平均厚度(最小)尺寸小于或 等于约50nm，具体地小于或等于约25nm，和更具体地小于或等于约10nm。一种示例性的纳米石墨烯的平均粒度是约1-10μm，和具体地2-8μm。

不同平均粒度的石墨烯是有用的，以此方式，石墨烯的粒度分布是单峰的(表现出单个分布)，表现出两个分布的双峰或者表现出大于一个粒度分布的多峰。例如，较小的纳米石墨烯(小于约250nm和包括亚微米尺寸的石墨烯(约250nm-小于约1μm))可以与平均粒度大于或等于1μm的石墨烯合并。石墨烯纤维(即，平均最大尺寸大于1mm和长宽比大于10的石墨烯颗粒，这里该石墨烯颗粒形成了相互键合的链)也使用这里公开的方法来官能化。

石墨烯可以是多种维度的，二维长宽比(即，在假定的厚度下长度与宽度之比；直径与厚度之比；或者对于片状石墨烯来说，表面积与横截面积之比)主要地大于或等于10，具体地大于或等于100，更具体地大于或等于200，和仍然更具体地大于或等于500。类似地，二维长宽比小于或等于10,000，具体地小于或等于5,000，和仍然更具体的小于或等于1,000。