[发明专利]一种单体、一种二维材料及其制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明涉及功能材料技术领域，具体涉及一种单体、一种二维材料及其制备方法和用途。

背景技术

2004年，英国曼彻斯特大学Geim小组将石墨烯从石墨中功剥离出来，二维材料迅速成为世界的研究热点，随后，除了石墨烯，氮化硼、过渡族金属硫化物、氧化物、黑磷等二维材料也已经被制备出来。二维材料厚度为纳米级，二维平面内具有长程有序的结构的材料。由于在二维尺度内的量子局域效应，该类材料在电子、光电子等方面具有诸多应用前景。2009年，在二维材料的概念上，瑞士联邦理工大学Schlüter小组进一步提出了人工合成二维高分子材料的概念。二维高分子是指满足二维材料结构的有机高分子材料。二维高分子材料不但具有二维材料的一般性质，还具有内部孔隙结构及官能团可精确调控等性质。该概念的提出，大大拓展了二维材料的范围，使得二维材料在超精细选择性过滤方面的应用有了可能。

从2012年到2015年，已经有数个二维高分子材料被成功的合成出来，其中三个二维高分子材料的研究工作被发表在Nature系列期刊上。这些二维高分子材料的合成都采用相似的具有C_3v对称性的刚性单体，单体的合成工艺复杂，难以放大生产，从而不利于这些材料的大规模应用。另外，这些已经报道的二维高分子材料的合成过程中涉及三个方向的反应，这使得反应过程中，容易产生缺陷。并且二维高分子的骨架结构内都采用全共价方式交联，而没有弱相互作用如氢键结构。全共价方式交联使得二维材料结构太过刚性，缺乏结构可调节性，可编码性及自我修复性。到目前为止，包括二维高分子在内，人类能获得的二维材料还非常有限，开发新型的二维材料，以发掘及改善二维材料的性能，拓展其应用范围，就变得非常有必要了。

发明内容

为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种单体、一种二维材料及其制备方法和用途，该单体结构简单，为线性结构，适合用于晶体的生长。

该单体的制备方法简单，而且生产成本低廉。

该二维材料具有厚度为纳米级、平面尺度超过微米级、内部结构长程有序和能够独立稳定存在的性质。

该二维材料的制备方法简单，可在温和的条件下进行发生聚合反应。

实现本发明上述目的所采用的技术方案为：

一种单体，其结构通式为：

式中，为碳碳单键或者碳碳双键，X为氧原子、硫原子或仲氨基。

一种单体的制备方法，包括如下步骤：

1)丙炔醇或丙炔胺或丙炔硫醇的端炔部分发生氧化偶联反应生成联二炔，其反应式如下：

式中，Y为羟基、氨基或巯基；

2)环状酸酐和大量的联二炔在熔融状态下或者溶液状态下发生酯化反应，生成该单体，其反应式如下：

一种二维材料，其重复单元的结构为：

式中，表示氢键；X为氧原子、硫原子或氮原子；a、b、c为方括号的编号，相同编号的方括号组成一组，任意一组方括号内为子重复单元。

一种二维材料的制备方法，包括如下步骤：

1)将权利要求1所述的单体自组装成内部具有层状结构的晶体，其层状结构的晶体内的重复单元的结构为：

在层状结构的晶体内，单体的羧基通过氢键作用头尾相连，生成氢键交联的线性结构，联二炔基团堆积成一种适合于聚合反应的线性结构；

2)通过光辐射或热辐射或微波辐射或电子辐射的作用下联二炔基团发生聚合反应，生成内部具有层状结构的聚合物材料；

3)通过超声波、溶胀、机械碾磨或撕揭的方法将聚合物材料剥离为厚度为纳米级的二维材料。

一种二维材料在制备耐电子束冲击材料上的应用。

本发明与现有技术相比，其有益效果和优点在于：

1)该单体结构简单，且为线性结构，适用于晶体的生长。

2)该单体的制备方法简单，且制备单体的原料易得，而且制备单体的反应条件简单易控制，因而生产成本低廉，适合于大量合成。

3)单体自组装成具有层状结构的晶体的条件和在具有层状结构的晶体内发生聚合反应的条件温和，而且只涉及到一个方向的聚合反应，因此能大大降低该二维材料的结构缺陷。

4)将氢键引入到该二维材料的骨架中，将使得二维材料具有更灵活的内部结构，可编码性及自修复性。