[发明专利]Janus石墨烯片层的制备

说明书

技术领域

本发明属于一种功能材料的合成方法 

背景技术

自2004年Geim等人发现单层石墨烯结构可稳定存在以来,关于石墨烯的研究不断取得重大进展，石墨烯在量子物理、微电子、化学材料等各种领域均展现出令人振奋的性能和广泛的应用前景。其中，石墨烯的大规模、低成本制备及石墨烯的功能化成为了研究的重点，尤其是石墨烯的表面功能化能进一步扩展石墨烯的性能和应用。2004至今，在SCI上发表的石墨烯的研究成果多达两千余篇，石墨烯成为备受瞩目的国际热点。 

石墨烯是通过碳原子sp²杂化所形成的具有单层蜂窝状二维网络结构的一种新型碳材料，它是许多碳质材料的基本结构单元，如：它可包裹成球形的富勒烯（零维），卷曲成碳纳米管（一维），垛堞成石墨（三维）。纯净的石墨烯具有超薄(一个原子的厚度)、超强和超导电等特性，可望在高性能纳米电子器件、复合材料、场发射材料等领域获得广泛的应用。 

作为一种独特的二维晶体，石墨烯有非常优异的物理和化学性能。机械性能优异，杨氏模量达1.0TPa；超大的比表面积，理论值为2630m²/g；对光的吸收率只有2.3%，几乎完全透明；热导率为5300W/m·K，是铜热导率的十几倍；导电性极强，电子迁移率约15000cm²/V·s，且其在电和磁性能方面具有很多特殊的性质，如室温量子霍尔效应、超导性、铁磁性等。这些特性使得石墨烯在传感器、场发射、超大电容器、太阳能电池、催化剂载体和晶体管等领域有着较好的应用前景。近五年来，石墨烯的研究热潮多集中在物理研究，而其化学研究才刚刚起步。制备高质量的石墨烯和石墨烯的功能化，是目前石墨烯领域的研究热点。 

Janus是指具有不同特性的非对称的颗粒。它在乳液稳定、光生物传感、药物输送和电子学等领域具有潜在的应用前景，近来被广泛应用。在发明中，我们将疏水的聚苯乙烯与亲水的PDMAEMA季铵盐通过π‐π共轭作用分别接在石墨烯的两个面上，以得到一面亲水，一面亲油的Janus石墨烯片。将Janus颗粒与石墨烯的优点相结合，Janus石墨烯片层同时具有两亲性、导电性、柔韧性、高强度等优异性能，应用前景广泛。 

发明内容

本发明的目的在于合成出一种Janus石墨烯片层,具有两亲性、导电性、柔韧性、高强度等诸多的优异性能。其合成方法的基本设计思路如下： 

1.首先先通过化学氧化法制备氧化石墨烯片层 

2.将上一步制备的氧化石墨烯还原成石墨烯片层 

3.将制备好的PS接枝到石墨烯片层上的一侧 

4.将制备好的PDMAEMA接枝到石墨烯片层的另一侧 

具体实施方式

实施例一 

1.本实验采用改进的hummers方法制备氧化石墨： 

取少量石墨鳞片置于三口烧瓶中，冰浴冷却下加入浓硫酸：发烟硝酸=2:1，搅拌使溶液分散。将一定量的KClO₃分四批加入溶液中，每隔十分钟加一次，可以观察到三口瓶中产生黄色气体，即产生了ClO₂气体。注意每次应缓慢加入KClO₃防止反应激烈爆炸。然后使反应在冰浴下反应五天。将反应液稀释，离心去除酸液，再用蒸馏水洗至滤液呈中性。所得到的氧化石墨倒入烧杯中通风干燥过夜。然后对氧化石墨进行真空干燥，干燥一周后待用。 

2.石墨烯的制备 

以上所得到的氧化石墨在升温至950℃的马弗炉中灼烧30秒，使氧化石墨发生剧烈的体积膨胀。将其置于70%的乙醇水溶液中，超声分散12小时，之后离心除去溶剂，再用CH₂Cl₂对石墨烯离心洗涤多次。将石墨烯收集于烧杯中，通风，除去溶剂，得到黑色块状石墨烯，最后置于真空干燥箱中40℃干燥待用。 

3.PS-GO的制备 

称取PS球加入50ml圆底烧瓶，冰水浴在中用乙醇分散，将1-芘丁酸溶于乙醇中，逐滴滴入PS分散液中，冰浴2小时，40℃下反应三天。离心除去未反应的1-芘丁酸，用乙醇反复洗涤沉淀，抽真空干燥。将PS-Pyrene溶于乙醇中，然后将石墨烯溶于乙醇中，置于烧杯中搅拌，将PS-Pyrene溶液逐滴滴加到石墨烯溶液中。离心除去未接枝的石墨烯，反复洗涤沉淀，用TEM、IR及XPS对其进行结构表征。 

4.PS-GO-PDMAEMA的制备