[发明专利]一种由石墨烯纳米片组成的二维层流矩阵碳材料及其制备方法

说明书

本发明公布了一种由石墨烯纳米片组成的二维层流矩阵碳材料的制备方法，以不与水相反应或混溶的均相的光引发聚合反应体系为油相、与适量的水相相混合，充分分散得到纳米乳液。对所述纳米乳液进行光引发聚合反应，得到纳米有机框架乳液。去除纳米有机框架乳液中残留的油相，冷冻干燥，得到凝胶聚合物纳米有机框架。将凝胶聚合物纳米有机框架置于非氧化环境下煅烧，制得由石墨烯纳米片组成的二维层流矩阵碳材料。本制备方法成本低廉，使用绿色易得的原料，制作工艺简单；且应用简便，材料对环境友好，不会造成二次污染。且可将其他材料均匀的分布在二维层流矩阵层间与表面，制备得到不同应用复合材料。

技术领域

本发明涉及一种由石墨烯纳米片组成的二维片状碳材料及其制备方法，属于碳材料制备技术领域。

背景技术

在过去的二十年中，由于石墨烯的超现实特性，例如高机械强度，电子导电性，石墨烯已经普及。石墨烯是石墨烯基材料的重要来源，它是通过机械剥离，氧化石墨烯还原，碳化硅（SiC）合成，液相剥离，化学气相沉积（CVD）等方法获得的。由有机分子自下而上的合成。然而，由于当与其他材料复合时由于阳离子之间的排斥力而在单层石墨烯（SLG）的表面上形成簇，因此尚未在实践中应用单层石墨烯（SLG）。

石墨烯纳米片作为石墨烯基复合材料基质受到广泛关注，因为通过自组装容易实现大规模的结构设计，并且通过复合材料与π平面之间的均匀分布相互作用增加了材料负荷。石墨烯纳米片在储能材料和生物材料中具有巨大的潜力。石墨烯纳米片基材料通常是在实践中通过借助于胡门法（Hummers method）辅助还原氧化石墨（GO）而获得的。在该策略中，通过在层之间引入插入剂（例如环氧化物，醇，酮羰基和羧基），剥落了sp²碳的单原子层。然后，通过超声或其他方法分散这些单原子层。由于嵌入剂与它们之间的相互作用，其他复合材料直接锚固在GO的表面上。最后，GO纳米片需要还原以提供石墨烯的性能。该程序不仅涉及使用危险性溶剂作为嵌入剂，即H₂SO₄ / KMnO₄，羧酸，甲酸和高能剥脱程序，但劳动强度大且效率低下。此外，基于这种自上而下的策略，无法控制插入剂在GO表面上的局部位置。当石墨烯结合其他材料时，会导致复合材料在GO表面异质生长和聚集。这对于应用中材料的性能是致命的。此外，石墨烯纳米片的宏观结构无法控制。

具有宏观可控结构的石墨烯纳米片通常通过CVD方法合成，这对复合其他材料不友好。

发明内容

石墨烯纳米片面临两个重要挑战：（1）开发有效的技术来构建基于GN的单层薄膜。（2）将石墨烯纳米片和不同类型的材料混合。我们设计了由石墨烯纳米片组成的二维层状基质。可以预期该基质支持复合材料的能力以及在电子设备中的巨大潜力。

为了实现这一目标，提出了本发明。

首先，本发明提供了一种凝胶聚合物纳米有机框架，该凝胶聚合物纳米有机框架可用于制备二维层流矩阵碳材料。该凝胶聚合物纳米有机框架可用于负载各种改性材料，从而制得具有特定性能的凝胶聚合物纳米材料或者二维层流矩阵碳材料。

该凝胶聚合物纳米有机框架是由不与水相反应或混溶的均相的光引发聚合反应体系为油相制得的纳米乳光引发聚合后冷冻干燥得到的。将该凝胶聚合物纳米有机框架用于负载改性材料，可在纳米有机框架形成前或形成后，如充分分散纳米乳液前或者得到纳米有机框架乳液后，向所述纳米乳液中或所述纳米有机框架乳液中加入改性材料；也可以通过类似的方法向纳米有机框架中加入改性材料前驱体，进而对前驱体进行处理从而得到具有特定性能的改性材料。

进一步地，将所述凝胶聚合物纳米有机框架转化为二维层流矩阵碳材料是通过将凝胶聚合物纳米有机框架置于非氧化环境下煅烧得到的。若所述凝胶聚合物纳米有机框架内负载有改性材料，则可得到均匀分布有改性材料的二维层流矩阵碳材料。当所述凝胶聚合物纳米有机框架负载有改性材料前驱体时，若该前驱体可在煅烧条件下转变为所要得到的目标改性材料，则同样可以得到均匀分布有改性材料的二维层流矩阵碳材料，这是本领域技术人员所容易理解的。