专利名称：基于高能辐照一步制备功能化石墨烯的方法
技术领域：
本发明属于无机碳材料结构改性技术领域，特别是涉及一种基于高能辐照一步制备功能化石墨烯的方法。
背景技术：
石墨烯是由一层密集的、包裹在蜂巢晶体点阵上的碳原子组成，是世界上最薄的二维材料，其厚度仅为0. 35nm。这种特殊结构蕴含了丰富而新奇的物理现象,使石墨烯表现出许多优异性质。例如石墨烯的强度是已测试材料中最高的钢的100多倍；其载流子迁移率是目前已知的具有最高迁移率的锑化铟材料的两倍；其热导率是金刚石的3倍；而且其还具有室温量子霍尔效应及室温铁磁性等特殊性质。近年来，石墨烯及其复合材料以其优异的性能在材料领域占据越来越重要的位置，石墨烯基复合材料更被认为将会在微电极设备、传感器、生物医药、机械谐振器、超级电容器等领域具有重大应用前景。但其缺点是既不亲水也不亲油，加之化学反应惰性，因此阻碍了其应用，因而扩大其应用范围及促进其发展的有效办法是将这种材料进行氧化及功能化处理，以使其可分散于某种溶液。目前石墨烯的功能化方法主要是共价键功能化方法和非共价键功能化方法。共价键功能化方法是目前研究最为广泛的功能化方法，其基于石墨烯氧化物中含有的羧基、羟基和环氧键等活性基团，通过化学反应接枝对石墨烯进行功能化。除共价键功能化外，还可以用相互作用、离子键以及氢键等非共价键作用方法实现石墨烯纳米片的功能化。前者为石墨烯纳米片带来了新的功能，但容易破坏石墨烯的结构，虽然后者保持了石墨烯纳米片的结构，但在石墨烯中引入了其它组分。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种操作过程简单、成本低廉的基于高能福照一步制备功能化石墨烯的方法。为了达到上述目的，本发明提供的基于高能辐照一步制备功能化石墨烯的方法包括按顺序进行的下列步骤I)将作为原料的氧化石墨与极性小分子有机溶剂混合，然后将混合溶液进行超声分散处理0. 5 2小时以使二者混合均匀，极性小分子有机溶剂选自环氧氯丙烷、苯乙烯/ 丙酮溶液、丙烯酸和乳酸中的一种或多种；2)将上述分散液置于6tlCo的辐照源室内，然后在辐照剂量率为0. 6 X IO3GyA 6XlO3GyA,辐照剂量为IXlO4Gy 2X IO6Gy的条件下对混合溶液进行、射线辐照，辐照时间为I. 6 3000小时，使氧化石墨的表面剥离而形成石墨烯纳米片。所述的氧化石墨与极性小分子有机溶剂的用量比为Img 0.1 100ml。所述的辐照处理温度为0 80°C。本发明提供的基于高能辐照一步制备功能化石墨烯的方法是一种共价键功能化方法，其是利用Y射线粒子能量高、穿透力强的特点，使插层进入较厚的氧化石墨层间的功能化小分子有机物与氧化石墨发生接枝反应，从而导致氧化石墨层间距增大，进而剥离形成石墨烯纳米片。由于该功能化的石墨烯纳米片表面接枝了大量的极性官能团，易溶于水、四氢呋喃等溶剂中和分散在高分子树脂中，可广泛用于纳米复合材料、传感器的制备等研究领域。另外，本发明方法还具有操作过程简单、成本低廉，绿色环保等优点，并且可增加单片层石墨烯纳米片的比例，获得高品质功能化石墨烯材料，实现工业化批量生产。
图I为辐照前的氧化石墨和辐照后的石墨烯纳米片XRD谱图。图2为辐照前的氧化石墨和辐照后的石墨烯纳米片XPS谱图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明提供的基于高能辐照一步制备功能化石墨烯的方法进行详细说明。实施例I :将按照文献“Improved Synthesis of Graphene Oxide”所述方法制备出的氧化石墨烘干后得到氧化石墨粉末，取50mg制备好的氧化石墨粉末，将其加入到装有50mL环氧氯丙烷试剂的玻璃瓶中，将混合溶液进行超声分散I个小时，然后将装有上述分散液的玻璃瓶置于6tlCo的Y射线辐照室中，在辐照剂量率为2. OX IO3Gy/h，辐照剂量为2 X IO5Gy的条件下进行Y射线辐照，辐照时间为100小时，辐照温度为室温，使氧化石墨的表面剥离而形成石墨烯纳米片。将上述得到的石墨烯纳米片分别进行X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱分析，并以辐照前的氧化石墨作为对比，结果如图I、图2所示。由图I可见，石墨烯纳米片的层间距由氧化石墨的O. 93nm明显增大到I. 17nm，且大部分剥离；由图2可见，环氧氯丙烷已成功接枝到氧化石墨的表面(由XPS图谱可以观察到辐照得到的石墨烯中含有氯元素)，由此实现了一步制备功能化石墨烯纳米片。实施例2:将按照文献“Improved synthesis of graphene oxide”所述方法制备出的氧化石墨烘干后得到氧化石墨粉末，取40mg制备好的氧化石墨粉末，将其加入到装有IOOmL苯乙烯/丙酮溶液(50wt% )的玻璃瓶中，将混合溶液进行超声分散处理2个小时，然后将装有上述分散液的玻璃瓶置于6tlCo的Y射线辐照室中，在辐照剂量率为1.0X103Gy/h，辐照剂量为5X IO5Gy的条件下进行Y射线辐照，辐照时间为500小时，辐照温度为50°C，使氧化石墨的表面剥离而形成石墨烯纳米片。经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，并剥离获得了功能化石墨烯纳米片。实施例3:将按照文献“Improved synthesis of graphene oxide”所述方法制备出的氧化石墨烘干后得到氧化石墨粉末，取IOOmg制备好的氧化石墨粉末，将其加入到装有IOOmL丙烯酸/水溶液(10Wt% )的玻璃瓶中，将混合溶液进行超声分散处理2个小时，然后将装有上述分散液的玻璃瓶置于6°Co的Y射线辐照室中，在辐照剂量率为2.0X103Gy/h，辐照剂量为3 X IO4Gy的条件下进行Y射线辐照，辐照时间为15小时，辐照温度为40°C，使氧化石墨的表面剥离而形成石墨烯纳米片。经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，并剥离获得了功能化石墨烯纳米片。实施例4 将按照文献“Improved synthesis of graphene oxide”所述方法制备出的氧化石墨烘干后得到氧化石墨粉末，取IOOmg制备好的氧化石墨粉末，将其加入到装有IOOmL乳酸/水溶液(IOwt^ )的玻璃瓶中，将混合溶液进行超声分散处理I. 5个小时，然后将装有上述分散液的玻璃瓶置于6°Co的Y射线辐照室中，在辐照剂量率为2.0X103Gy/h，辐照剂量为3 X IO4Gy的条件下进行Y射线辐照，辐照时间为30小时，辐照温度为60°C，使氧化石墨的表面剥离而形成石墨烯纳米片。经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，并剥尚获得了功能化石墨稀纳米片。
权利要求
1.一种基于高能辐照一步制备功能化石墨烯的方法，其特征在于所述的方法包括按顺序进行的下列步骤1)将作为原料的氧化石墨与极性小分子有机溶剂混合，然后将混合溶液进行超声分散处理O. 5 2小时以使二者混合均匀，极性小分子有机溶剂选自环氧氯丙烷、苯乙烯/丙酮溶液、丙烯酸、乳酸中的一种；2)将上述分散液置于6tlCo的辐照源室内，然后在辐照剂量率为0.6X103Gy/h 6X103Gy/h，辐照剂量为IXlO4Gy 2X IO6Gy的条件下对混合溶液进行Y射线辐照，辐照时间为I. 6 3000小时，使氧化石墨的表面剥离而形成石墨烯纳米片。
2.根据权利要求I所述的基于高能辐照一步制备功能化石墨烯的方法，其特征在于 所述的氧化石墨与极性小分子有机溶剂的用量比为Img : O. I 100ml。
3.根据权利要求I所述的基于高能辐照一步制备功能化石墨烯的方法，其特征在于 所述的辐照处理温度为O 80°C。
全文摘要
一种基于高能辐照一步制备功能化石墨烯的方法。其包括将氧化石墨与极性小分子有机溶剂混合，将混合溶液进行超声分散处理0.5～2小时，极性小分子有机溶剂选自环氧氯丙烷、苯乙烯/丙酮溶液、丙烯酸、乳酸中一种或多种；将分散液置于60Co的辐照源室内，在辐照剂量率为0.6×103Gy/h～6×103Gy/h，辐照剂量为1×104Gy～2×106Gy的条件下对混合溶液进行γ射线辐照，使氧化石墨的表面剥离而形成功能化石墨烯纳米片等步骤。本发明的方法是利用γ射线粒子能量高、穿透力强的特点，使插层进入氧化石墨层间的功能化小分子有机物与氧化石墨片层发生接枝反应，从而导致氧化石墨层间距增大，进而剥离形成石墨烯纳米片。
文档编号B82Y40/00GK102583358SQ201210095888
公开日2012年7月18日 申请日期2012年4月5日 优先权日2012年4月5日
发明者刘梁森, 单明景, 张瑶瑶, 徐志伟, 李英琳, 许广昀, 陈磊 申请人:天津工业大学