[发明专利]一种具有立体结构的取代石墨烷材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有立体结构的取代石墨烷材料，包括平面型的具有多个连续sp³杂化六元碳环的基材及通过D‑A反应连接于该基材上的有机分子环。本发明所制备的取代石墨烷材料，是一种新的大分子。它是在平面型多个连续sp³杂化的六元碳环上键接有机分子形成的立体状大分子结构。由于该立体结构大分子的基本结构，与传统线型分子结构有较大的不同，它将具有许多与现有材料不同的性能，并且在很多性能上具有优势。

技术领域

本发明属于石墨烯材料技术领域，具体涉及一种具有立体结构的取代石墨烷材料及其制备方法。

背景技术

碳是人类接触到的最早的元素之一，也是人类利用得最早的元素之一。碳原子的半径较小，电子结构为1s²2s²2p²，其内层是球形的1s²轨道，外层的2s和2p轨道易于杂化成键，可形成稳定的单、双和三键，这种多样的成键方式，使它能够形成链、环、网状等结构等多种结构。

不同结构的碳材料可能具有不同的性能，从而具有不同的应用。1985年发现的C₆₀(碳60，巴基球)，是一种零维纳米材料富勒烯，具有很好的光电特性。1991年发现的碳纳米管是一种一维纳米材料，它不但具有很好的电学性能，还具有优秀的力学性能。2004年发现的石墨稀，也具有光电、力学以及其它各类特性，正在各个领域发挥作用。如果将石墨烯上的不饱和共轭双键通过添加氢原子而打开，则石墨烯上的sp2碳原子，转变为sp3杂化，石墨烯也将转变为石墨烷。目前有报导通过理论计算预测石墨烷的可能特性，但至今尚无有效的合成手段。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有立体结构的取代石墨烷材料。

本发明的另一目的在于提供上述具有立体结构的取代石墨烷材料的制备方法。

本发明的原理是利用D-A反应进行的。狄尔斯-阿尔德反应(Diels-Alderreaction)是共轭双烯体系与烯或炔键发生环加成反应而得环己烯或1，4-环己二烯环系的反应。1928年德国化学家O.P.H.狄尔斯和K.阿尔德在研究丁二烯与顺丁烯二酐作用时发现这类反应：在这类反应中，与共轭双烯作用的烯烃和炔烃称为亲双烯体，亲双烯体上的亲电取代基和共轭双烯上的给电子取代基都有使反应加速的作用。它的基本反应可以表示为图1。根据D-A反应原理，石墨烯可以视为亲双烯体，它可以与共轭双烯发生D-A反应。利用过量的共轭双烯有机分子与还原氧化石墨烯反应，可以逐步使共轭双烯键接到石墨烯平面上，打开石墨烯上的双键，并键合到石墨烯的碳原子上。

本发明的技术方案如下：

一种具有立体结构的取代石墨烷材料，包括平面型的具有多个连续sp³杂化六元碳环的基材及通过D-A反应连接于该基材上的有机分子环。

在本发明的一个优选实施方案中，所述有机分子环为单一成环或多个连续成环。

在本发明的一个优选实施方案中，所述有机分子环分布于上所述基材的所在平面的一侧。

在本发明的一个优选实施方案中，所述有机分子环分布于上所述基材的所在平面的两侧(如图3所示)。

上述取代石墨烷材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将石墨烯材料与共轭双烯体混合，在惰性气体或氮气气氛下，加热至共轭双烯体可形成回流的温度，回流反应6～8d；

(2)将步骤(1)所得的物料用溶剂进行除杂，并干燥除去溶剂后，即得所述取代石墨烷材料。

在本发明的一个优选实施方案中，所述共轭双烯体包括2-呋喃甲胺、2-噻吩甲胺、2-呋喃甲醇和2-噻吩甲醇。

在本发明的一个优选实施方案中，所述溶剂为水、甲苯、丙酮和氯仿中的一种或两种。