[发明专利]一种采用多金属氧簇复合物制备石墨烯分散液的方法

说明书

技术领域

本发明属于化工与材料技术领域，具体涉及一种采用多金属氧簇复合物作为稳定剂制备石墨烯低极性溶剂分散液的方法，所制备的石墨烯分散液中石墨烯以单片形式存在，且可以稳定一个月以上，所得的石墨烯复合材料有望应用于催化以及传感等领域。

背景技术

石墨烯是一种新型的二维纳米碳材料，它是由sp²杂化的碳原子以六边形排列形成周期性蜂窝状结构的单层原子晶体，厚度仅为0.35nm，是已知的最薄的二维材料，并具有许多优异的性质(K.S.Novoselov,A.K.Geim,S.V.Morozov,D.Jiang,Y.Zhang,S.V.Dubonos,I.V.Grigorieva,A.A.Firsov,Science,2004,306,666；A.K.Geim,K.S.Novoselov,Nat.Mater.,2007,6,183)。鉴于石墨烯的众多优异性质，许多石墨烯复合材料被相继开发，并在高性能纳米电子器件、传感器、储能、催化以及生物医学等领域展现出广阔的应用前景。目前通常采用还原的氧化石墨烯作为原料来大批量制备石墨烯复合材料，因此石墨烯的分散与功能化成为关键问题。

石墨烯层与层之间存在很强的吸附作用，使其极易团聚，只能分散在强极性溶剂中，如水，N-甲基吡咯烷酮，二甲基甲酰胺等(D.R.Dreyer,S.Park,C.W.Bielawski,R.S.Ruo,Chem.Soc.Rev.,2010,39,228)，而在低极性溶剂中无法分散，如氯仿、甲苯等。分散性的问题限制了石墨烯在很多领域的应用。通常来讲，需要在石墨烯上修饰稳定剂才能使其分散在低极性溶剂中。例如，研究者们在石墨烯片上通过共价键修饰烷基链或聚合物链来提高其在低极性溶剂中的分散性(S.Niyogi,E.Bekyarova,M.E.Itkis,J.L.McWilliams,M.A.Hamon,R.C.Haddon,J.Am.Chem.Soc.,2006,128,7720；Y.Zhu,A.L.Higginbotham,J.M.Tour,Chem.Mater.,2009,21,5284；Y.S.Ye,Y.N.Chen,J.S.Wang,J.Rick,Y.J.Huang,F.C.Chang,B.J.Hwang,Chem.Mater.,2012,24,2987)。但是，共价修饰通常涉及复杂的有机反应，不易于操作，随后，研究者们又发展了相对简单的非共价修饰方法，例如基于离子键(Y.Liang,D.Wu,X.Feng,K.Müllen,Adv.Mater.,2009,21,1679；S.Yin,Y.Zhang,J.Kong,C.Zou,C.M.Li,X.Lu,J.Ma,F.Y.C.Boey,X.Chen,ACS Nano,2011,5,3831)，π-π相互作用(F.Li,Y.Bao,J.Chai,Q.Zhang,D.Han,L.Niu,Langmuir,2010,26,12314)，疏水作用(T.Wei,G.Luo,Z.Fan,C.Zheng,J.Yan,C.Yao,W.Li,C.Zhang,Carbon,2009,47,2290)等。然而，目前采用的稳定剂均属于有机或聚合物分子，不包含无机组分，因此制备无机功能化的石墨烯同时又使其分散在低极性溶剂中仍是一个挑战。

多金属氧簇是一类由过渡金属原子通过氧配位桥连接而成的单分子无机簇合物，具有丰富的化学组成和多样的骨架结构，并在催化、光、电、磁功能材料等方面展现出优异的性质(M.T.Pope,A.Müller,Angew.Chem.,Int.Ed.Engl.,1991,30,34；Special issue on polyoxometalates,Chem.Rev.,1998,98,1；D.L.Long,R.Tsunashima,L.Cronin,Angew.Chem.,Int.Ed.,2010,49,1736)。近期研究表明，多金属氧簇与石墨烯之间有很强的吸附作用(H.Li,S.Pang,X.Feng,K.Müllen，C.Bubeck,Chem.Commun.,2010,46,6243；D.Zhou,B.Han,Adv.Funct.Mater.,2010,20,2717；R.Liu,S.Li,X.Yu,G.Zhang,S.Zhang,J.Yao,B.Keita,L.Nadjo,L.Zhi,Small,2012,8,1398)。从原理上讲，这种吸附作用可以作为一种新的驱动力来分散石墨烯。但是，目前文献中未检索到采用多金属氧簇在低极性溶剂中分散石墨烯的相关报道。因此，开发一类基于多金属氧簇的稳定剂来分散石墨烯的方法极具创新性和实用价值。