CN106276857A - 一种制备功能化碳材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制备功能化碳材料的方法，属于新材料技术领域。本发明用高铁酸钾在研磨的机械力作用下对碳材料进行氧化，得到带含氧官能团的功能化碳材料。与现有技术相比，本发明采用了“绿色氧化剂+绿色反应工艺”的制备方法。一方面，所使用的氧化剂高铁酸钾是绿色无害的氧化剂，另一方面，该反应无需任何溶剂，依靠机械力的作用使碳材料和氧化剂细化混合并经过碰撞和摩擦发生反应。本发明采用绿色氧化剂，并且无需任何溶剂，因此是一种环保型功能化碳材料的制备方法，推广价值大。

Description

一种制备功能化碳材料的方法
技术领域
本发明涉及一种制备功能化碳材料的方法，属于新材料技术领域。
背景技术
碳材料，包括传统的石墨、金刚石、炭黑、玻璃碳、活性炭、碳纤维等，以及近几十年来备受关注的富勒烯、碳葱、碳纳米管、石墨烯、石墨炔和其他以碳为主要元素的无机材料，因其丰富的结构和独特的性能而具有基础研究的重要意义和高新技术应用的巨大价值。为了改善碳材料的性质，满足应用上的需要，我们往往要对其进行功能化改性，鉴于此，化学功能化成为了研究碳材料时所关注的一个核心科学技术问题。
化学氧化法是使用最广泛，发展最成熟的功能化方法，在碳材料的基础研究与应用中发挥非常重要的作用：(1)氧化处理克服碳纳米材料的自发团聚，增加其在溶液中的分散性，从而为溶液加工奠定基础；(2)氧化反应引入官能团，改善碳材料的表面化学性质，并为碳材料的进一步功能化提供起始活性位点；(3)氧化法功能化的碳材料以及由此衍生的功能材料已被商业化生产和应用。
然而，目前广泛采用的化学氧化法违背了绿色化学的基本原则，存在严重的环境污染问题：(1)所使用的氧化剂(如KMnO4，HNO3)转化为毒性重金属离子(如Mn2+)或产生有毒有害气体(如NxOy)；(2)以大量的浓硫酸为反应介质，产生大量酸性废液，并给实验操作带来安全隐患。以碳纳米管的氧化为例，广大研究者普遍采用以KMnO4和HNO3为氧化剂，以硫酸为反应介质的液相氧化，而且这些氧化方法已被我国的中科时代纳米(KMnO4/H2SO4)，国外的US Research Nanomaterials(KMnO4/H2SO4)、Nanolab(HNO3/H2SO4)和Carbon Solutions(HNO3)等公司用于工业化生产。对于氧化石墨烯的制备，Hummers法及其改进工艺是实验室和工业界普遍采用的方法，该法也以KMnO4为主要氧化剂，以浓硫酸为反应介质。
全世界有庞大的碳材料研究队伍，而且工业上基于氧化法制备的功能化碳材料的产量日益增长，可想而知，传统的化学氧化处理带来的水体、空气污染不容小觑，开发绿色环保的氧化方法迫在眉睫。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种“绿色氧化剂+绿色氧化工艺”的技术方案，即以高铁酸钾为氧化剂，使用无溶剂的机械力化学技术，实现了制备功能化碳材料的绿色氧化。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种制备功能化碳材料的方法，将碳材料和高铁酸钾进行研磨反应，得到功能化碳材料，具体包括以下步骤：
第一步：将碳材料和高铁酸钾进行研磨反应；
第二步：对反应后得到的物料进行洗涤，除去铁盐等杂质，得到氧化的碳材料。
进一步地，所述的功能化碳材料为带含氧官能团的碳材料。
进一步地，所述的碳材料包括碳纳米管、富勒烯、石墨烯、石墨、碳纤维、活性炭、玻璃碳、炭黑、碳洋葱和金刚石等，以及其他以碳为主要元素的无机材料，优选为碳纳米管。
进一步地，所述的碳纳米管包括多壁碳纳米管、双壁碳纳米管和单壁碳纳米管。
需要说明的是，碳材料和高铁酸钾进行研磨反应过程中无需溶剂。
所述的研磨反应为手动研磨或机械研磨，对于手动研磨使用包括研磨钵在内的研磨工具，对于机械研磨使用包括行星球磨机、振动球磨机、搅拌分散机或研磨机等在内的研磨设备，优选使用球磨机。反应所需的研磨强度跟碳材料的结构特点有很大关系。
进一步地，所述的碳材料和高铁酸钾的质量比为1:5～50。
进一步地，进行研磨反应的时间为0.5～72小时。
第二步对反应后得到的物料后处理时，可以采用过滤或者离心的方法进行洗涤，采用酸洗能有效地去除铁盐，并进一步采用水或乙醇等溶剂洗去多余的酸，干燥方法可用常压烘干、真空干燥或冷冻干燥。后处理过程中也可以采用其他有效方法，目的在于除去铁盐等杂质，得到氧化的碳材料。
在研磨条件下，碳材料和高铁酸钾在研磨的机械力作用下细化混合并经过碰撞和摩擦发生反应。由于高铁酸钾具有高的氧化能力，再加上机械力对化学反应的活化能力，碳材料表面逐渐被氧化，产生含氧官能团，如羧基、羟基等，得到功能化碳材料。
在温和的机械力作用下，高铁酸钾对碳材料的缺陷位点(sp3-C)有高效的氧化活性，而不会破坏石墨化的C＝C结构。增加研磨强度和时间，碳材料表面会逐渐产生新的缺陷，并进一步被高铁酸钾氧化。不同的碳材料的石墨化程度或缺陷程度不同，以及所需要的氧化程度不同，决定了研磨的强度和时间不同。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
1、以高铁酸钾为氧化剂，其还原产物是无毒害的三价铁，消除了使用其他传统氧化剂如KMnO4和HNO3等所产生的污染环境的毒副产物，绿色环保；
2、该反应在无溶剂的条件下发生，避免了因使用浓硫酸为溶剂所产生的大量酸性废液和安全隐患，节省溶剂费用，且环保安全；
3、本发明借助机械力来加强碳材料与高铁酸钾之间化学反应的活化能力，所采用的机械力化学技术在工业上有良好的应用基础，有利于规模化的制备氧化的碳材料。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
本实施例提供利用手工研磨对多壁碳纳米管进行功能化的绿色机械力化学氧化方法，包括以下步骤：
首先将0.1g多壁碳纳米管(管径15-30nm，长度>10μm)与1g高铁酸钾在研钵中研磨30min；然后将所得物料依次用稀盐酸和水洗涤，最后在60℃烘干，得到氧化的多壁碳纳米管产物。
经过XPS元素分析得到：未氧化的多壁碳纳米管的氧/碳比例为3.5％，氧化后的多壁碳纳米管的氧/碳比例为8.4％。
实施例2
本实施例提供利用球磨机对多壁碳纳米管进行功能化的绿色机械力化学氧化方法，包括以下步骤：
首先将0.2g多壁碳纳米管(管径15-30nm，长度>10μm)与4g高铁酸钾在研钵中研磨使物料混匀；再将物料和50g不锈钢球(直径为5mm)一起投入到不锈钢罐(容量50ml)中，在300rpm下球磨反应持续2h；然后将所得物料依次用稀盐酸和水洗涤，最后在60℃烘干，得到氧化的多壁碳纳米管产物。
经过XPS元素分析得到：未氧化的多壁碳纳米管的氧/碳比例为3.5％，氧化后的多壁碳纳米管的氧/碳比例为11.3％。所得产物在多种溶剂中具有良好的分散性，其中在水中的溶解度达到了4.8mg/ml。
实施例3
本实施例提供利用球磨机对单壁碳纳米管进行功能化的绿色机械力化学氧化方法，包括以下步骤：
首先将0.4g单壁碳纳米管(管径1-2nm，长度5-30μm)与8g高铁酸钾在研钵中研磨使物料混匀；再将物料和100g不锈钢球(直径为5mm)一起投入到不锈钢罐(容量100ml)中，在300rpm下球磨反应持续24h；然后将所得物料依次用稀盐酸和水洗涤，最后在60℃烘干，得到氧化的单壁碳纳米管产物。
经过XPS元素分析得到：未氧化的单壁碳纳米管的氧/碳比例为0.5％，氧化后的单壁碳纳米管的氧/碳比例为18.4％。Raman光谱测试得到，表征共价功能化程度的D/G峰强度比在氧化前后由0.03升高到了0.35。
实施例4
本实施例提供利用球磨机对石墨进行功能化的绿色机械力化学氧化方法，包括以下步骤：
将0.5g石墨粉(325目)与3g高铁酸钾和50g不锈钢球(直径为5mm)一起投入到不锈钢罐(容量100ml)中，在500rpm下球磨反应持续48h；然后将所得物料依次用稀盐酸和水洗涤，得到可在水中稳定分散的氧化石墨纳米薄片。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种制备功能化碳材料的方法，其特征在于，将碳材料和高铁酸钾进行研磨反应，得到功能化碳材料。
2.根据权利要求1所述的一种制备功能化碳材料的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
第一步：将碳材料和高铁酸钾进行研磨反应；
第二步：对反应后得到的物料进行洗涤，得到氧化的碳材料。
3.根据权利要求1或2所述的一种制备功能化碳材料的方法，其特征在于，所述的功能化碳材料为带含氧官能团的碳材料。
4.根据权利要求1或2所述的一种制备功能化碳材料的方法，其特征在于，所述的碳材料包括碳纳米管、富勒烯、石墨烯、石墨、碳纤维、活性炭、玻璃碳、炭黑、碳洋葱和金刚石，以及其他以碳为主要元素的无机材料，优选为碳纳米管。
5.根据权利要求4所述的一种制备功能化碳材料的方法，其特征在于，所述的碳纳米管包括多壁碳纳米管、双壁碳纳米管和单壁碳纳米管。
6.根据权利要求1或2所述的一种制备功能化碳材料的方法，其特征在于，所述的研磨反应为手动研磨或机械研磨，对于手动研磨使用包括研磨钵在内的研磨工具，对于机械研磨使用包括行星球磨机、振动球磨机、搅拌分散机或研磨机在内的研磨设备。
7.根据权利要求1或2所述的一种制备功能化碳材料的方法，其特征在于，碳材料和高铁酸钾进行研磨反应过程中无需溶剂。
8.根据权利要求1或2所述的一种制备功能化碳材料的方法，其特征在于，所述的碳材料和高铁酸钾的质量比为1:5～50。
9.根据权利要求1或2所述的一种制备功能化碳材料的方法，其特征在于，进行研磨反应的时间为0.5～72小时。
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