CN110203922A - 一种功能化碳材料的制备方法 - Google Patents

一种功能化碳材料的制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110203922A
CN110203922A CN201910558403.0A CN201910558403A CN110203922A CN 110203922 A CN110203922 A CN 110203922A CN 201910558403 A CN201910558403 A CN 201910558403A CN 110203922 A CN110203922 A CN 110203922A
Authority
CN
China
Prior art keywords
carbon material
preparation
iodine
functional
material according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201910558403.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110203922B (zh
Inventor
黄浩
高明
康翼鸿
喻学锋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wuhan China Science Advanced Technology Research Institute Co Ltd
Original Assignee
Wuhan China Science Advanced Technology Research Institute Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wuhan China Science Advanced Technology Research Institute Co Ltd filed Critical Wuhan China Science Advanced Technology Research Institute Co Ltd
Priority to CN201910558403.0A priority Critical patent/CN110203922B/zh
Publication of CN110203922A publication Critical patent/CN110203922A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110203922B publication Critical patent/CN110203922B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15—Nano-sized carbon materials
    • C01B32/158—Carbon nanotubes
    • C01B32/168—After-treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15—Nano-sized carbon materials
    • C01B32/182—Graphene
    • C01B32/194—After-treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15—Nano-sized carbon materials
    • C01B32/182—Graphene
    • C01B32/198—Graphene oxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/20—Graphite
    • C01B32/21—After-treatment

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

本发明涉及一种功能化碳材料的制备方法。该方法是利用碘单质对碳材料进行活化，同时碘单质输运磷单质与碳发生反应，以制备出磷酸功能化碳材料。与现有制备方法相比，本发明方法新颖独特、简单高效，在不破坏碳材料本体结构的基础上，稳定形成功能化基团。与此同时，本方法通用性强，且制备过程可控，具有较高的工业化应用价值。

Description

一种功能化碳材料的制备方法
技术领域
本发明涉及碳材料制备领域，特别涉及一种功能化碳材料的制备方法。
背景技术
众所周知，碳材料以其优异的性能在界面导热、能源催化等领域得到了广泛应用。然而，由于其缺乏功能基团，导致其在溶剂中分散性极差，并不具备化学活性。为了改善其性能，功能化碳材料成为突破的重点，典型的是磷酸化碳材料，和氧化石墨烯不同的是，氧化石墨烯通常包含大量碳氧键，而共价的磷酸化碳材料则是碳磷键，羟基并不直接与碳结合而是与磷结合。最为常见的制备方法主要有两种，一是利用物理吸附作用，将含有磷酸基团的聚合物与碳材料结合，这种方法不会破坏碳材料结构，但也存在脱附、不稳定且效率低等缺点；二是先将碳材料进行氧化修饰上诸如羧基、羟基、氨基等基团，然后采用浓磷酸进行长时间处理，或者通过基团共价接枝等方法，来实现磷酸化，但这些方法较为复杂，且会极大的破坏碳材料的结构。因此，发展一种既不破坏碳材料结构，又能稳定保持磷酸基团的功能化碳材料制备方法具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是开发出一种功能化碳材料的制备方法。具体而言，本发明涉及一种利用碘单质对碳材料进行活化，同时碘单质输运磷单质与碳发生反应，以制备出磷酸功能化碳材料的技术。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种功能化碳材料的制备方法，是利用碘单质对碳材料进行活化，同时碘单质输运磷单质与碳发生反应，以制备出磷酸功能化碳材料。
具体的步骤如下：
(1)将碳材料、磷单质与碘单质(粉体或颗粒)按照一定比例真空密封在石英管中；
(2)然后对含有材料的石英管以一定的速率进行升温，至反应温度后进行反应；
(3)反应完成后，利用有机溶剂将材料中剩余的碘单质去除；
(4)将除碘后的材料与水混合，加热到50-90℃，并加入浓硝酸反应；
(5)反应完成后，离心、洗涤，得到磷酸化碳材料。
所述的碳材料包括石墨、石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管等。
所述的磷单质与碳材料的比例大于1：100。
所述的碘单质与磷单质的比例为1:1～1:50。
所述的升温速率5～20℃/min。
所述的真空度0.001Pa～1kPa。
所述的反应温度为400～1800℃。
所述的有机溶剂包括但不限于丙酮、乙醇、异丙醇等。
所述除碘后的材料与水的质量比为1:10～1:100。
所述浓硝酸与含有材料的水溶液的体积比为0.25～1。
所述浓硝酸的浓度为65％～95％，反应时间为5～20min。
本发明以碘单质、磷单质为基础，利用高温条件下碘单质和碳材料缺陷位点之间的电子转移来活化碳材料的缺陷位点，同时碘蒸汽输运磷单质，使磷单质与碳材料发生反应形成C-P共价化学键。随后，利用丙酮等有机溶剂将碘去除，将碳材料与浓硝酸反应，利用浓硝酸将C-P化学键转化为C-PO(OH)键，从而形成磷酸基团。同时，去除未反应的磷。进一步离心、洗涤及干燥即得到磷酸化的碳材料。
有益效果：
与现有技术相比，本发明的技术方法新颖独特、简单高效，仅仅使用碘单质、磷单质等低成本材料，即可完成功能化碳材料的制备，这对于碳材料的功能化制备和产业化应用具有重要的现实意义。
根据本发明的功能化碳材料，对其应用没有限制，其可以应用于目前已知的诸如光电器件、能源催化、生物医学等领域。并且根据其物理及化学性质本领域技术人员也容易想到将其应用于其它可能的领域。
附图说明
图1为实施例1中所制备的磷酸化石墨的实物照片；
图2为实施例2中所制备的磷酸化碳纳米管的X射线光电子能谱分析图；
图3为实施例3中所制备的磷酸化石墨烯材料的显微镜照片；
图4为对比例1中所得到的石墨粉材料的实物照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
称取石墨粉1克，碘单质20毫克，红磷100毫克，放至石英管中抽真空至100Pa然后密封。将石英管置于马弗炉中以10℃/min升温至800℃，然后自然降温至室温。然后将产物取出用丙酮清洗除去碘。将清洗后的碳材料分散于20毫升水中加热搅拌至60度，加入浓硝酸5毫升，反应10分钟后将分散液离心或者抽滤并用水洗涤，然后分散于水中，得到磷酸化石墨。如图1所示，磷酸化后石墨在水中可以良好的分散。
实施例2
称取多壁碳纳米管1克，碘单质50毫克，红磷200毫克，放至石英管中抽真空至300Pa然后密封。将石英管置于马弗炉中以5℃/min升温至1000℃，然后自然降温至室温。然后将产物取出用丙酮清洗除去碘。将清洗后的碳材料分散于20毫升水中加热搅拌至80度，加入浓硝酸10毫升，反应20分钟后将分散液离心或者抽滤并用水洗涤，然后分散于水中，得到磷酸化多壁碳纳米管，如图2所示，磷酸化碳纳米管P-C,P-O结合能谱，证明成功磷酸化。
实施例3
称取石墨烯0.1克，碘单质10毫克，红磷100毫克，放至石英管中抽真空至10Pa然后密封。将石英管置于马弗炉中以5℃/min升温至600℃，然后自然降温至室温。然后将产物取出用乙醇清洗除去碘。将清洗后的碳材料分散于10毫升水中加热搅拌至50度，加入浓硝酸2毫升，反应15分钟后将分散液离心或者抽滤并用水洗涤，然后分散于水中，得到磷酸化石墨烯，如图3所示，磷酸化石墨烯显微镜照片，分散良好，没有聚集。
实施例4
称取氧化石墨烯2克，碘单质30毫克，红磷300毫克，放至石英管中抽真空至100Pa然后密封。将石英管置于马弗炉中以5℃/min升温至700℃，然后自然降温至室温。然后将产物取出用异丙醇清洗除去碘。将清洗后的碳材料分散于30毫升水中加热搅拌至70度，加入浓硝酸10毫升，反应5分钟后将分散液离心或者抽滤并用水洗涤，然后分散于水中，得到磷酸化炭黑。
实施例5
称取石墨粉1克，碘单质10毫克，红磷10毫克，放至石英管中抽真空至0.001Pa然后密封。将石英管置于马弗炉中以10℃/min升温至1800℃，然后自然降温至室温。然后将产物取出用丙酮清洗除去碘。将清洗后的碳材料分散于20毫升水中加热搅拌至90度，加入浓硝酸5毫升，反应10分钟后将分散液离心或者抽滤并用水洗涤，然后分散于水中，得到磷酸化石墨。
实施例6
称取石墨粉1克，碘单质10毫克，红磷500毫克，放至石英管中抽真空至1kPa然后密封。将石英管置于马弗炉中以20℃/min升温至400℃，然后自然降温至室温。然后将产物取出用丙酮清洗除去碘。将清洗后的碳材料分散于20毫升水中加热搅拌至90度，加入浓硝酸20毫升，反应10分钟后将分散液离心或者抽滤并用水洗涤，然后分散于水中，得到磷酸化石墨。
对比例1
称取石墨粉1克，放至石英管中抽真空至100Pa然后密封。将石英管置于马弗炉中以10℃/min升温至800℃，然后自然降温至室温。然后将产物取出用丙酮清洗除去碘。将清洗后的石墨粉材料分散于20毫升水中加热搅拌至60度，加入浓硝酸5毫升，反应10分钟后将分散液离心或者抽滤并用水洗涤，然后分散于水中，如图4所示，并不能分散，磷酸化失败。
对比例2
称取石墨粉1克，碘单质50毫克，放至石英管中抽真空至100Pa然后密封。将石英管置于马弗炉中以10℃/min升温至800℃，然后自然降温至室温。然后将产物取出用丙酮清洗除去碘。将清洗后的碳材料分散于20毫升水中加热搅拌至60度，加入浓硝酸5毫升，反应10分钟后将分散液离心或者抽滤并用水洗涤，然后分散于水中，并不能分散，磷酸化失败。
对比例3
称取石墨粉1克，红磷单质100毫克，放至石英管中抽真空至100Pa然后密封。将石英管置于马弗炉中以10℃/min升温至800℃，然后自然降温至室温。然后将产物取出用丙酮清洗除去碘。将清洗后的碳材料分散于20毫升水中加热搅拌至60度，加入浓硝酸5毫升，反应10分钟后将分散液离心或者抽滤并用水洗涤，然后分散于水中，并不能分散，磷酸化失败。

Claims (10)

1.一种功能化碳材料的制备方法，其特征在于，利用碘单质对碳材料进行活化，同时碘单质输运磷单质与碳发生反应，以制备出磷酸功能化碳材料，具体的步骤如下：
(1)将碳材料粉体、磷单质与碘单质(粉体或颗粒)按照一定比例真空密封在石英管中；
(2)然后对含有材料的石英管以一定的速率进行升温，至反应温度后进行反应；
(3)反应完成后，利用有机溶剂将材料中的碘单质去除；
(4)将除碘后的材料与水混合，加热到50-90℃，并加入浓硝酸反应；
(5)反应完成后，离心、洗涤，得到磷酸化碳材料。
2.根据权利要求1所述的一种功能化碳材料的制备方法，其特征在于，所述的碳材料包括石墨、石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管等。
3.根据权利要求1所述的一种功能化碳材料的制备方法，其特征在于，所述的磷单质与碳材料的比例大于1：100。
4.根据权利要求1所述的一种功能化碳材料的制备方法，其特征在于，所述的碘单质与磷单质的比例为1:1～1:50。
5.根据权利要求1所述的一种功能化碳材料的制备方法，其特征在于，所述的真空度0.001Pa～1kPa。
6.根据权利要求1所述的一种功能化碳材料的制备方法，其特征在于，所述的升温速率5～20℃/min,所述的反应温度为400～1800℃。
7.根据权利要求1所述的一种功能化碳材料的制备方法，其特征在于，所述的有机溶剂包括但不限于丙酮、乙醇、异丙醇等。
8.根据权利要求1所述的一种功能化碳材料的制备方法，其特征在于，所述除碘后的材料与水的质量比为1:10～1:100。
9.根据权利要求1所述的一种功能化碳材料的制备方法，其特征在于，所述浓硝酸与含有材料的水溶液的体积比为0.25～1。
10.根据权利要求1所述的一种功能化碳材料的制备方法，其特征在于，所述浓硝酸的浓度为65％～95％，反应时间为5～20min。
CN201910558403.0A 2019-06-26 2019-06-26 一种功能化碳材料的制备方法 Active CN110203922B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910558403.0A CN110203922B (zh) 2019-06-26 2019-06-26 一种功能化碳材料的制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910558403.0A CN110203922B (zh) 2019-06-26 2019-06-26 一种功能化碳材料的制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110203922A true CN110203922A (zh) 2019-09-06
CN110203922B CN110203922B (zh) 2020-10-20

Family

ID=67794562

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910558403.0A Active CN110203922B (zh) 2019-06-26 2019-06-26 一种功能化碳材料的制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110203922B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112723342A (zh) * 2019-10-14 2021-04-30 中国石油化工股份有限公司 一种含磷功能化石墨烯及其制备方法和应用

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110133132A1 (en) * 2009-12-07 2011-06-09 Aruna Zhamu Chemically functionalized submicron graphitic fibrils, methods for producing same and compositions containing same
CN104231815A (zh) * 2014-09-30 2014-12-24 济宁利特纳米技术有限责任公司 石墨烯功能性防污防腐涂料及制备、涂刷方法
CN104445155A (zh) * 2013-09-17 2015-03-25 中国科学院大连化学物理研究所 一种羧基功能化的石墨烯材料及其制备方法
CN104817787A (zh) * 2015-05-05 2015-08-05 济宁利特纳米技术有限责任公司 一种功能化石墨烯改性抗静电塑料及其制备方法
US20160019995A1 (en) * 2014-07-17 2016-01-21 Aruna Zhamu Highly conductive graphene foams and process for producing same
CN105862057A (zh) * 2016-04-15 2016-08-17 北京科技大学 一种掺磷石墨烯量子点及其电化学制备方法
CN106430175A (zh) * 2016-11-07 2017-02-22 山东欧铂新材料有限公司 一种氧化石墨烯和石墨烯的快速制备方法
US20170305745A1 (en) * 2014-09-23 2017-10-26 Basf Se Separation of semi-conducting and metallic single-walled carbon nanotubes using a polytungstate
CN107482173A (zh) * 2017-06-21 2017-12-15 深圳大学 锂离子电池负极活性材料及其制备方法、锂离子电池负极片和锂离子电池
CN108299653A (zh) * 2017-12-11 2018-07-20 浙江大学宁波理工学院 磷氮型阻燃剂功能化石墨烯及其制备方法

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110133132A1 (en) * 2009-12-07 2011-06-09 Aruna Zhamu Chemically functionalized submicron graphitic fibrils, methods for producing same and compositions containing same
CN104445155A (zh) * 2013-09-17 2015-03-25 中国科学院大连化学物理研究所 一种羧基功能化的石墨烯材料及其制备方法
US20160019995A1 (en) * 2014-07-17 2016-01-21 Aruna Zhamu Highly conductive graphene foams and process for producing same
US20170305745A1 (en) * 2014-09-23 2017-10-26 Basf Se Separation of semi-conducting and metallic single-walled carbon nanotubes using a polytungstate
CN104231815A (zh) * 2014-09-30 2014-12-24 济宁利特纳米技术有限责任公司 石墨烯功能性防污防腐涂料及制备、涂刷方法
CN104817787A (zh) * 2015-05-05 2015-08-05 济宁利特纳米技术有限责任公司 一种功能化石墨烯改性抗静电塑料及其制备方法
CN105862057A (zh) * 2016-04-15 2016-08-17 北京科技大学 一种掺磷石墨烯量子点及其电化学制备方法
CN106430175A (zh) * 2016-11-07 2017-02-22 山东欧铂新材料有限公司 一种氧化石墨烯和石墨烯的快速制备方法
CN107482173A (zh) * 2017-06-21 2017-12-15 深圳大学 锂离子电池负极活性材料及其制备方法、锂离子电池负极片和锂离子电池
CN108299653A (zh) * 2017-12-11 2018-07-20 浙江大学宁波理工学院 磷氮型阻燃剂功能化石墨烯及其制备方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
XUEWAN WANG ET AL: ""Heteroatom-doped graphene materials: syntheses, properties and applications"", 《CHEM.SOC.REV.》 *
YAWEN CAI ET AL: ""Fabrication of a phosphorylated graphene oxide–chitosan composite for highly effective and selective capture of U(VI)"", 《ENVIRON. SCI.: NANO》 *
王晓明 等: ""磷酸化氧化石墨烯的制备及其对Ｕ（Ⅵ）的吸附性能研究"", 《湿法冶金》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112723342A (zh) * 2019-10-14 2021-04-30 中国石油化工股份有限公司 一种含磷功能化石墨烯及其制备方法和应用

Also Published As

Publication number Publication date
CN110203922B (zh) 2020-10-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Huang et al. A strategy for effective electrochemical detection of hydroquinone and catechol: Decoration of alkalization-intercalated Ti3C2 with MOF-derived N-doped porous carbon
CN101780951B (zh) 一种高纯度碳纳米管的纯化方法
CN105523541B (zh) 杂原子掺杂的多孔碳空心微球及其制备方法
Chen et al. Poly (acrylic acid) grafted multiwall carbon nanotubes by plasma techniques for Co (II) removal from aqueous solution
CN106830168B (zh) 一种高效去除水中重金属离子和有机物的方法
CN103146025B (zh) 一种磷腈阻燃剂接枝改性碳纳米管及其制备方法
CN105197917A (zh) 氮掺杂石墨烯量子点分散液的制备方法
Liu et al. Adsorption of thorium (IV) on magnetic multi-walled carbon nanotubes
JP2015078096A (ja) 水熱生成グラフェン／ｃｎｔ複合体エアロゲルの作成方法、水熱生成グラフェン／ｃｎｔ複合体エアロゲル及びｕａ、ｄａ、ａａ分離検出電極
CN107511149B (zh) 一种Ag-碳纳米纤维复合材料及其制备方法和应用
CN104909407B (zh) 一种氧化钼纳米纤维纸及其制备方法
CN105271405A (zh) 一种基于碳酸氧铋或氧化铋纳米管的材料及其制备方法
CN110203922A (zh) 一种功能化碳材料的制备方法
Lai et al. Deep eutectic solvent-mediated preparation of solvothermal carbon with rich carboxyl and phenol groups from crop straw for high-efficient uranium adsorption
CN110548483A (zh) 一种生物炭/纳米四氧化三铁复合材料的制备方法及其应用
CN109012582A (zh) 碳基吸附剂及其制备方法
WO2021059152A1 (en) Process for doping graphene with nitrogen and sulfur by reducing graphene oxide with microorganisms, nitrogen- and sulfur-doped graphene thus obtained and its use
CN115970656A (zh) 氨基酸共价接枝环糊精-金属有机框架材料及其应用
CN111450808A (zh) 膦酸功能化聚合物/石墨烯纳米带复合气凝胶及其制备方法和应用
CN105236387A (zh) 一种碱性处理碳纳米管提高其水溶液分散性的方法
Ganesan et al. Facile and low‐cost production of Lantana camara stalk‐derived porous carbon nanostructures with excellent supercapacitance and adsorption performance
CN104466133B (zh) 一种氮掺杂的石墨烯碳复合材料及其制备方法
CN104974748A (zh) 一种硅量子点的合成方法
CN106229152B (zh) 一种多级孔结构碳材料的制备方法
CN107383518B (zh) 聚乙烯-石墨烯复合物的制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
CB03 Change of inventor or designer information
CB03 Change of inventor or designer information

Inventor after: Kang Yihong

Inventor after: Yu Xuefeng

Inventor after: Huang Hao

Inventor after: Gao Ming

Inventor before: Huang Hao

Inventor before: Gao Ming

Inventor before: Kang Yihong

Inventor before: Yu Xuefeng

GR01 Patent grant
GR01 Patent grant