[发明专利]用于制备石墨烯纳米带的基于溶剂的方法

说明书

相关申请的交叉参考

本申请要求于2011年9月14日提交的美国临时申请No.61/534,553的优先权。本申请还与PCT/US2010/038368相关。上述各申请的全部内容通过引用纳入本文。

背景

在效率、成本、产率和质量方面，制备石墨烯纳米带的现有方法有许多限制。例如，现有方法只能少量的制备石墨烯纳米带。此外，所制备的石墨烯纳米带具有很多缺陷、在各种溶剂和复合材料中的分散性有限、且导电率有限。因此，本领域需要能有效制备具有最少缺陷、增强的分散能力、和增强的导电率的石墨烯纳米带的新方法。本领域还需要边缘功能化的石墨烯纳米带来改善石墨烯纳米带的分散能力，又不通过破坏基面而牺牲导电率。

概述

在一些实施方式中，本发明提供了制备功能化石墨烯纳米带的方法。在一些实施方式中，这种方法包括：（1）在非质子溶剂存在下，将多个碳纳米管暴露于碱金属源，其中所述暴露打开该碳纳米管；以及（2）将所述打开的碳纳米管暴露于亲电体以形成功能化石墨烯纳米带。在一些实施方式中，这种方法还可包括将所述打开的碳纳米管暴露于质子溶剂的步骤，以淬灭在所述打开的碳纳米管上的任何反应性物质并由此将质子（即，氢原子）留在边缘上。

本发明的额外的实施方式涉及通过下述步骤来制备未功能化石墨烯纳米带的方法：（1）在非质子溶剂存在下，将多个碳纳米管暴露于碱金属源，以打开所述碳纳米管；以及（2）将所述打开的碳纳米管暴露于质子溶剂以形成未功能化石墨烯纳米带。在一些实施方式中，这种方法还可包括下述步骤：通过将亲电体加入所述形成的石墨烯纳米带进行亲电取代反应来功能化所述石墨烯纳米带。

在一些实施方式中，本发明的方法可在室温下进行。在一些实施方式中，本发明的方法可使用多种类型的碳纳米管，例如单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、三壁碳纳米管、多壁碳纳米管、超短碳纳米管及其组合。在一些实施方式中，本发明的方法可使用多壁碳纳米管。

还可使用多种碱金属源来打开所述碳纳米管。在一些实施方式中，所述碱金属源可包括下述的至少一种：锂、钾、钠、铷、铯、它们的合金，及其组合。在一些实施方式中，所述碱金属源可包括钾。

此外，为了优化反应条件，可在多种非质子溶剂存在下，将本发明的碱金属源暴露于碳纳米管。在一些实施方式中，所述非质子溶剂可包括下述的至少一种：二乙醚、四氢呋喃、1,4-二噁烷、甘醇二甲醚、1,2-二甲氧基乙烷、二甘醇二甲醚、四甘醇二甲醚、胺、N,N,N',N'-四甲基乙二胺、三乙胺、1,4-二氮杂二环[2.2.2]辛烷、三烷基胺、二烷基芳基胺、烷基二芳基胺、二甲基甲酰胺及其组合。

类似的，为了淬灭反应性物质，可将打开的碳纳米管暴露于多种质子溶剂。在一些实施方式中，所述质子溶剂可包括下述的至少一种：甲酸、正-丁醇、异丙醇、正丙醇、乙醇、甲醇、乙酸、水、盐酸、硫酸、氨水、二乙胺、二烷基胺、单烷基胺、二芳基胺、单芳基胺、单烷基单芳基胺及其组合。

此外，可使用多种亲电体来形成功能化石墨烯纳米带。在一些实施方式中，所述亲电体可包括下述的至少一种：水、醇、有机卤化物、烯烃、烷基卤化物、酰卤、烯丙基卤化物、苯甲基卤、苄基卤化物、链烯基卤化物、芳基卤化物、炔基卤化物、氟烷基卤化物、全氟烷基卤化物、醛、酮、甲基乙烯基酮、酯、磺酸酯、酸、酰氯、羧酸、羧酸酯、羧酸酰氯（carboxylic acid chlorides）、羧酸酸酐、含羰基化合物、烯酮、腈、二氧化碳、卤素、单体、乙烯基单体、开环单体、异戊二烯、丁二烯、苯乙烯、丙烯腈、甲基乙烯基酮、甲基丙烯酸酯、1,4-二甲氧基-2-乙烯基苯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸烷基酯、甲基丙烯酸烷基酯、三甲基氯硅烷、叔丁基二甲基氯硅烷、三苯基氯硅烷、环氧化物、二氧化碳、二硫化碳、叔丁醇、2-甲基丙烯、溴、氯、碘、氟及其组合。

在各种实施方式中，所述亲电体可与如含钯系统、含镍系统或含铁系统的过渡金属催化剂缔合。在一些实施方式中，所述亲电体可不与过渡金属催化剂缔合。

在一些实施方式中，所述亲电体可包括一种或更多种单体，如烯烃、乙烯基单体、苯乙烯、异戊二烯、丁二烯、丙烯腈、甲基乙烯基酮、丙烯酸烷基酯、甲基丙烯酸烷基酯、开环单体、环氧化物及其组合。在一些实施方式中，当加入到石墨烯纳米带时，所述单体可聚合，由此形成聚合物-功能化石墨烯纳米带。