一种石墨烯纳米带及其合成方法与应用
【技术领域】
[0001] 本发明属于功能材料技术领域，具体涉及一种石墨稀纳米带及其合成方法与应 用。
【背景技术】
[0002] 石墨稀（Graphene)是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，它是一种由 碳原子以sp2杂化轨道组成六边形的平面薄膜，厚度仅一个碳原子厚度。石墨烯曾被认为 无法单独稳定存在，直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈?海姆和康斯坦丁 ?诺 沃肖洛夫，用剥离法成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯。经大量研究发现：石墨烯目 前是世上最薄却也是最坚硬的二维材料，单层石墨烯吸收2. 3%的光，具有极高的导热系数 (5300W/m ·Κ)，尤其是常温下其电子迀移率超过15000cm2/V · s，比纳米碳管或硅晶体高，而 电阻率只约10 6Ω · cm，比铜或银更低，是目前世上电阻率最小的材料。石墨烯的高导和高 迀移率源于超大面积的共辄结构，被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子 元件或晶体管。因为石墨烯卓越而独特的性能，6年后二人共同获得2010年诺贝尔物理学 奖。
[0003] 石墨烯是尺寸超大的二维材料，因此表现为性能优异的导体。如果要成为半导体， 就需要将其尺寸减小，石墨烯纳米带是有一定宽度的石墨烯，它保留了石墨烯的高载流子 迀移率的性能，同时赋予材料半导体特性，因此被认为具有比石墨烯更灵活可调的性质和 更大的实用价值，例如在薄膜场效应晶体管、光伏电池和传感领域中的活性层是半导体而 非导体。一般合成石墨烯的方法由物理剪裁和化学合成的方法，成本较高，路线复杂，且产 率不高。
【发明内容】
[0004] 为了克服现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种石墨烯纳米 带；
[0005] 本发明的另一目的在于提供上述石墨稀纳米带的合成方法，所述合成方法原料成 本低，路线简捷，产率高，条件温和，有利于实现石墨烯纳米带的量产；
[0006] 本发明的再一目的在于提供上述石墨烯纳米带的应用。
[0007] 本发明的目的通过下述技术方案实现：
[0008] 一种石墨稀纳米带，具有如下结构：
[0009]
[0010] 其中，R是带有烷基或烷氧基的基团；R基团的作用是促进最终产物石墨烯纳米带 的溶解；
[0011] 优选的，所述R为C1~C100的烷基或烷氧基；
[0012] 当所述R为烷基时，优选的，所述R为C6H13、C SH17、C1QH21、C12H 25、C16H33或C 2QH41中的 一种；
[0013] 更优选的，所述R为下列结构的烷基中的一种：
[0016] 当所述 R 为烷氧基时，优选的，所述 R 为 C6H130、CsH170、C1QH 210、C12H250、C16H330 或 c20h41o中的一种；
[0017] 更优选的，所述R为下列结构的烷氧基中的一种：
[0020] 所述石墨烯纳米带的合成方法，包括如下步骤：将2, 4, 6-三溴碘苯和烷基/烷 氧基芳烃的格氏试剂反应，在反应后期加入硼酸噸呐醇酯得到3, 5-二（4-烷基/烷氧基 苯）-4-噸呐醇硼酸酯溴苯；将所得3, 5-二（4-烷基/烷氧基苯）-4-噸呐醇硼酸酯溴苯与 贵金属催化剂进行Suzuki偶联反应，进行聚合生成聚对苯衍生物，所述聚对苯衍生物即为 石墨烯纳米带前驱体；将所述石墨烯纳米带前驱体经贵金属催化氧化或三氯化铁进行氧化 脱氢，或者将所述石墨烯纳米带前驱体进行电化学氧化脱氢，得到所述石墨烯纳米带；
[0021] 优选的，所述烷基/烷氧基芳烃的格氏试剂为下列结构中的一种：
其中X为卤素，优选为Br。
(
[0025] 所述石墨烯纳米带具有大共辄共平面结构，带隙随共辄程度的增加而减小，且分 子链之间容易发生聚集，以上两大特点使得所述石墨烯纳米带能应用于场效应晶体管、光 伏电池、非线性光学和传感领域。
[0026] 本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
[0027] (1)本发明所述合成方法的原料来源广泛，合成路线简捷，工艺可靠。
[0028] (2)本发明所述石墨烯纳米带可通过分子设计进行宽度调节，从而调节其共辄程 度，最终调节石墨烯纳米带的带隙。不同的带隙具有不同的用途，实际应用中可根据要求选 择合成不同的带隙。
[0029] (3)本发明所述石墨烯纳米带可以通过侧基的长度来调节其溶解性。在保证溶解 的前提下，侧基的长度以短为宜，以保证产品更高的迀移率。可溶的石墨烯纳米带可以通 过旋涂或者打印成膜，或者通过可溶的前驱体成膜后再进行氧化脱氢反应生成石墨烯纳米 带，从而在电致发光、光伏电池、薄膜场效应晶体管和传感器件领域得到应用。
【附图说明】
[0030] 图1为本发明实施例1所得3, 5-二（4-(2-乙基己氧基）_苯）-4_噸呐醇硼酸 酯-1-溴苯的核磁氢谱图；
[0031] 图2为本发明实施例1所得聚3, 5-二（4-烷氧基苯）-1，4-苯撑的核磁氢谱图。
【具体实施方式】
[0032] 下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限 于此。对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。
[0033] 实施例1
[0034] -种石墨稀纳米带，其合成方法包括如下步骤：
[0035] (1)3, 5-二（4-(2-乙基己氧基）_苯）-4_噸呐醇硼酸酯-1-溴苯的合成：
[0036] 合成路线如下式所示：
[0037]
[0038] 具体操作为：
[0039] 2501^三口瓶中加入6011^的4-(2-乙基己氧基）-溴苯的格氏试剂（0.51，30臟〇1， 四氢呋喃（THF)溶液），加热到80°C回流，取2, 4, 6-三溴碘苯（lOmmol，4. 407g)溶于30mL THF中，注入到恒压漏斗中滴加，lh滴完，80°C回流反应3h，冷却至室温，补加 THF 60mL，降 温至-65°C，注入2-异丙氧基-4, 4, 5, 5-四甲基-1，3, 2-二氧杂环戊硼烷10mL，撤走降温 装置，自然升温反应过夜；反应结束后加水，用二氯甲烷萃取，加硫酸镁干燥，抽滤，旋干，抽 干；硅胶粉过柱，洗脱液为体积比为石油醚：乙酸乙酯=100 :1的石油醚/乙酸乙酯混合 液，得到固体产物1. 344g，产率为20%。
[0040] 采用核磁共振氢谱法对所得固体产物进行结构解析，所得核磁氢谱如图1所示， 分析数据如下：
[0041] 虫 NMR (400MHz，CDC13, ppm) :7.408 (s，2H)，7.389 (d，J = 8.4, 4H)，6.915 (d，J = 8. 4, 4H)，3. 880 (d，J = 5. 6, 4H)，1. 74 (m，2H)，1. 6 ~1. 25 (m，16H)，1. 0 ~0· 85 (m，24H)。所 得产物为3, 5-二（4-(2-乙基己氧基）-苯）-4-噸呐醇硼酸酯-1-溴苯。
[0042] (2)聚3, 5-二（4-烷氧基苯）-1，4-苯撑的合成：
[0043] 合成路线如下式所示：
[0045] 具体操作为：
[0046] 取3, 5-二（4- (2-乙基己氧基）-苯）-4-噸呐醇硼酸酯-1-溴苯（304mg， 0· 444mmol)，碳酸钠（1. 658g，12mmol)，水（6mL)，甲苯（15mL)，催化剂Pd(PPh3)4和相转移剂 三辛基甲基氯化铵Aliquat?: 336 (1. 8mg，0. 0045mmol)于聚合管中，置于-20°C冷冻液中换 氩气5次，120°C反应7天；然后注入对溴甲苯（30mg，溶于lmL甲苯中）反应12h，再注入对 甲基苯硼酸（30mg，溶于lmL二氧六环中）反应12h ;反应结束后冷却至室温，倒入50mL盐 酸、50mL水及50mL甲苯的混合液中搅拌半小时；然后用甲苯萃取，旋转蒸发仪除掉有机溶 剂，油栗抽干，得0. 285g固体产物；将所得固体产物用lmL甲苯溶解，于100mL