專利名稱：基于高能輻照一步制備功能化石墨烯的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無機(jī)碳材料結(jié)構(gòu)改性技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于高能輻照一步制備功能化石墨烯的方法。
背景技術(shù)：
石墨烯是由一層密集的、包裹在蜂巢晶體點(diǎn)陣上的碳原子組成，是世界上最薄的二維材料，其厚度僅為0. 35nm。這種特殊結(jié)構(gòu)蘊(yùn)含了豐富而新奇的物理現(xiàn)象,使石墨烯表現(xiàn)出許多優(yōu)異性質(zhì)。例如石墨烯的強(qiáng)度是已測(cè)試材料中最高的鋼的100多倍；其載流子遷移率是目前已知的具有最高遷移率的銻化銦材料的兩倍；其熱導(dǎo)率是金剛石的3倍；而且其還具有室溫量子霍爾效應(yīng)及室溫鐵磁性等特殊性質(zhì)。近年來，石墨烯及其復(fù)合材料以其優(yōu)異的性能在材料領(lǐng)域占據(jù)越來越重要的位置，石墨烯基復(fù)合材料更被認(rèn)為將會(huì)在微電極設(shè)備、傳感器、生物醫(yī)藥、機(jī)械諧振器、超級(jí)電容器等領(lǐng)域具有重大應(yīng)用前景。但其缺點(diǎn)是既不親水也不親油，加之化學(xué)反應(yīng)惰性，因此阻礙了其應(yīng)用，因而擴(kuò)大其應(yīng)用范圍及促進(jìn)其發(fā)展的有效辦法是將這種材料進(jìn)行氧化及功能化處理，以使其可分散于某種溶液。目前石墨烯的功能化方法主要是共價(jià)鍵功能化方法和非共價(jià)鍵功能化方法。共價(jià)鍵功能化方法是目前研究最為廣泛的功能化方法，其基于石墨烯氧化物中含有的羧基、羥基和環(huán)氧鍵等活性基團(tuán)，通過化學(xué)反應(yīng)接枝對(duì)石墨烯進(jìn)行功能化。除共價(jià)鍵功能化外，還可以用相互作用、離子鍵以及氫鍵等非共價(jià)鍵作用方法實(shí)現(xiàn)石墨烯納米片的功能化。前者為石墨烯納米片帶來了新的功能，但容易破壞石墨烯的結(jié)構(gòu)，雖然后者保持了石墨烯納米片的結(jié)構(gòu)，但在石墨烯中引入了其它組分。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種操作過程簡單、成本低廉的基于高能福照一步制備功能化石墨烯的方法。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的基于高能輻照一步制備功能化石墨烯的方法包括按順序進(jìn)行的下列步驟I)將作為原料的氧化石墨與極性小分子有機(jī)溶劑混合，然后將混合溶液進(jìn)行超聲分散處理0. 5 2小時(shí)以使二者混合均勻，極性小分子有機(jī)溶劑選自環(huán)氧氯丙烷、苯乙烯/ 丙酮溶液、丙烯酸和乳酸中的一種或多種；2)將上述分散液置于6tlCo的輻照源室內(nèi)，然后在輻照劑量率為0. 6 X IO3GyA 6XlO3GyA,輻照劑量為IXlO4Gy 2X IO6Gy的條件下對(duì)混合溶液進(jìn)行、射線輻照，輻照時(shí)間為I. 6 3000小時(shí)，使氧化石墨的表面剝離而形成石墨烯納米片。所述的氧化石墨與極性小分子有機(jī)溶劑的用量比為Img 0.1 100ml。所述的輻照處理溫度為0 80°C。本發(fā)明提供的基于高能輻照一步制備功能化石墨烯的方法是一種共價(jià)鍵功能化方法，其是利用Y射線粒子能量高、穿透力強(qiáng)的特點(diǎn)，使插層進(jìn)入較厚的氧化石墨層間的功能化小分子有機(jī)物與氧化石墨發(fā)生接枝反應(yīng)，從而導(dǎo)致氧化石墨層間距增大，進(jìn)而剝離形成石墨烯納米片。由于該功能化的石墨烯納米片表面接枝了大量的極性官能團(tuán)，易溶于水、四氫呋喃等溶劑中和分散在高分子樹脂中，可廣泛用于納米復(fù)合材料、傳感器的制備等研究領(lǐng)域。另外，本發(fā)明方法還具有操作過程簡單、成本低廉，綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，并且可增加單片層石墨烯納米片的比例，獲得高品質(zhì)功能化石墨烯材料，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化批量生產(chǎn)。


圖I為輻照前的氧化石墨和輻照后的石墨烯納米片XRD譜圖。圖2為輻照前的氧化石墨和輻照后的石墨烯納米片XPS譜圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提供的基于高能輻照一步制備功能化石墨烯的方法進(jìn)行詳細(xì)說明。實(shí)施例I :將按照文獻(xiàn)“Improved Synthesis of Graphene Oxide”所述方法制備出的氧化石墨烘干后得到氧化石墨粉末，取50mg制備好的氧化石墨粉末，將其加入到裝有50mL環(huán)氧氯丙烷試劑的玻璃瓶中，將混合溶液進(jìn)行超聲分散I個(gè)小時(shí)，然后將裝有上述分散液的玻璃瓶置于6tlCo的Y射線輻照室中，在輻照劑量率為2. OX IO3Gy/h，輻照劑量為2 X IO5Gy的條件下進(jìn)行Y射線輻照，輻照時(shí)間為100小時(shí)，輻照溫度為室溫，使氧化石墨的表面剝離而形成石墨烯納米片。將上述得到的石墨烯納米片分別進(jìn)行X射線衍射(XRD)和X射線光電子能譜分析，并以輻照前的氧化石墨作為對(duì)比，結(jié)果如圖I、圖2所示。由圖I可見，石墨烯納米片的層間距由氧化石墨的O. 93nm明顯增大到I. 17nm，且大部分剝離；由圖2可見，環(huán)氧氯丙烷已成功接枝到氧化石墨的表面(由XPS圖譜可以觀察到輻照得到的石墨烯中含有氯元素)，由此實(shí)現(xiàn)了一步制備功能化石墨烯納米片。實(shí)施例2:將按照文獻(xiàn)“Improved synthesis of graphene oxide”所述方法制備出的氧化石墨烘干后得到氧化石墨粉末，取40mg制備好的氧化石墨粉末，將其加入到裝有IOOmL苯乙烯/丙酮溶液(50wt% )的玻璃瓶中，將混合溶液進(jìn)行超聲分散處理2個(gè)小時(shí)，然后將裝有上述分散液的玻璃瓶置于6tlCo的Y射線輻照室中，在輻照劑量率為1.0X103Gy/h，輻照劑量為5X IO5Gy的條件下進(jìn)行Y射線輻照，輻照時(shí)間為500小時(shí)，輻照溫度為50°C，使氧化石墨的表面剝離而形成石墨烯納米片。經(jīng)XRD分析和XPS元素分析可知，苯乙烯已成功接枝到氧化石墨的表面，并剝離獲得了功能化石墨烯納米片。實(shí)施例3:將按照文獻(xiàn)“Improved synthesis of graphene oxide”所述方法制備出的氧化石墨烘干后得到氧化石墨粉末，取IOOmg制備好的氧化石墨粉末，將其加入到裝有IOOmL丙烯酸/水溶液(10Wt% )的玻璃瓶中，將混合溶液進(jìn)行超聲分散處理2個(gè)小時(shí)，然后將裝有上述分散液的玻璃瓶置于6°Co的Y射線輻照室中，在輻照劑量率為2.0X103Gy/h，輻照劑量為3 X IO4Gy的條件下進(jìn)行Y射線輻照，輻照時(shí)間為15小時(shí)，輻照溫度為40°C，使氧化石墨的表面剝離而形成石墨烯納米片。經(jīng)XRD分析和XPS元素分析可知，丙烯酸已成功接枝
4到氧化石墨的表面，并剝離獲得了功能化石墨烯納米片。實(shí)施例4 將按照文獻(xiàn)“Improved synthesis of graphene oxide”所述方法制備出的氧化石墨烘干后得到氧化石墨粉末，取IOOmg制備好的氧化石墨粉末，將其加入到裝有IOOmL乳酸/水溶液(IOwt^ )的玻璃瓶中，將混合溶液進(jìn)行超聲分散處理I. 5個(gè)小時(shí)，然后將裝有上述分散液的玻璃瓶置于6°Co的Y射線輻照室中，在輻照劑量率為2.0X103Gy/h，輻照劑量為3 X IO4Gy的條件下進(jìn)行Y射線輻照，輻照時(shí)間為30小時(shí)，輻照溫度為60°C，使氧化石墨的表面剝離而形成石墨烯納米片。經(jīng)XRD分析和XPS元素分析可知，乳酸已成功接枝到氧化石墨的表面，并剝尚獲得了功能化石墨稀納米片。
權(quán)利要求
1.一種基于高能輻照一步制備功能化石墨烯的方法，其特征在于所述的方法包括按順序進(jìn)行的下列步驟1)將作為原料的氧化石墨與極性小分子有機(jī)溶劑混合，然后將混合溶液進(jìn)行超聲分散處理O. 5 2小時(shí)以使二者混合均勻，極性小分子有機(jī)溶劑選自環(huán)氧氯丙烷、苯乙烯/丙酮溶液、丙烯酸、乳酸中的一種；2)將上述分散液置于6tlCo的輻照源室內(nèi)，然后在輻照劑量率為0.6X103Gy/h 6X103Gy/h，輻照劑量為IXlO4Gy 2X IO6Gy的條件下對(duì)混合溶液進(jìn)行Y射線輻照，輻照時(shí)間為I. 6 3000小時(shí)，使氧化石墨的表面剝離而形成石墨烯納米片。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于高能輻照一步制備功能化石墨烯的方法，其特征在于 所述的氧化石墨與極性小分子有機(jī)溶劑的用量比為Img : O. I 100ml。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于高能輻照一步制備功能化石墨烯的方法，其特征在于 所述的輻照處理溫度為O 80°C。
全文摘要
一種基于高能輻照一步制備功能化石墨烯的方法。其包括將氧化石墨與極性小分子有機(jī)溶劑混合，將混合溶液進(jìn)行超聲分散處理0.5～2小時(shí)，極性小分子有機(jī)溶劑選自環(huán)氧氯丙烷、苯乙烯/丙酮溶液、丙烯酸、乳酸中一種或多種；將分散液置于60Co的輻照源室內(nèi)，在輻照劑量率為0.6×103Gy/h～6×103Gy/h，輻照劑量為1×104Gy～2×106Gy的條件下對(duì)混合溶液進(jìn)行γ射線輻照，使氧化石墨的表面剝離而形成功能化石墨烯納米片等步驟。本發(fā)明的方法是利用γ射線粒子能量高、穿透力強(qiáng)的特點(diǎn)，使插層進(jìn)入氧化石墨層間的功能化小分子有機(jī)物與氧化石墨片層發(fā)生接枝反應(yīng)，從而導(dǎo)致氧化石墨層間距增大，進(jìn)而剝離形成石墨烯納米片。
文檔編號(hào)B82Y40/00GK102583358SQ201210095888
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年4月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月5日
發(fā)明者劉梁森, 單明景, 張瑤瑤, 徐志偉, 李英琳, 許廣昀, 陳磊 申請(qǐng)人:天津工業(yè)大學(xué)