利用树枝状结构增溶和功能化石墨烯

石墨烯是2004年新发现的具有高电导率、高热传导率、高强度、透明的二维碳基纳米材料。但是目前，石墨烯的宏量应用受制于缺乏可靠的制备方法，用于制备溶剂可分散的石墨烯。本项目创新性地把具有三维构象且体积庞大的树枝状结构和石墨的化学氧化还原法相结合，发展一种高效宏量的制备方法，用于制备高质量的具有溶剂可分散性的石墨烯。具体的策略是利用氧化石墨烯的结构特点，在氧化石墨烯的边缘引入树枝状取代基，从而达到提高氧化石墨烯的溶剂可分散性，并将水溶性的氧化石墨烯转变成为脂溶性的氧化石墨烯。发展高效廉价的脂溶性还原剂和还原方法，用于脂溶性氧化石墨烯的还原。更重要的是，利用树枝状结构的三维构象和庞大体积，抑制石墨烯层间的相互作用，使得还原得到的石墨烯仍然保持高的溶剂可分散性，从而赋予制备的石墨烯可溶液加工性能。此外，利用树枝状结构易携带特定功能基团的特点，开发基于石墨烯的功能新颖的纳米材料。

作为一种新兴的二维碳纳米材料，石墨烯由于具有十分优异的导电、导热、力学和光透过性能，也已经证明在电极材料、半导体材料、复合增强材料、医疗、催化工业等领域存在着巨大的市场前景，因此引起科学界和工业界的极大兴趣。但是，石墨烯的实际应用还受限于缺乏一种宏量可靠的制备方法。在已开发的石墨烯制备方法中，石墨氧化还原法被认为是一种最有可能实现大量制备的途径。但是，由于片层之间存在着极强的相互作用，制备所得的石墨烯（还原的氧化石墨烯）极易重新凝聚成石墨，失去制备的意义。针对这一问题，此项目提出利用树枝化策略改性石墨烯，即在石墨烯边缘接枝具有三维结构的树枝状侧链，利用其庞大的体积抑制石墨烯片层之间的相互作用，从而提高石墨烯的溶液分散性能。根据这一策略，我们利用酰化反应，在氧化石墨烯边缘成功接枝不同层数的树枝化侧链。而且，我们还发现，在酰化反应的过程中，氧化石墨烯同时也得到还原，从而一锅法直接得到树枝化的石墨烯产品。我们发现石墨烯树枝化修饰后，具有在有机溶剂中很好的分散性能，分散度随树枝状结构的变大而增加。产品可分离纯化，以粉末状态保存。而且，我们还惊喜地发现，由此石墨烯产品制成的石墨烯膜，其电导率随着树枝状层数的增加，非但没有降低，反而有所提高，达到1969 S/m，高于文献报道的基于石墨氧化还原法制备石墨烯膜。. 在此基础上，此项目尝试利用石墨烯和金属纳米线配合制备，透明导电膜。研究发现，具有二维导电能力的石墨烯片层和一维导电能力的金属纳米线间存在协同增强的作用，从而能大幅降低导电材料的用量。所制备的透明导电膜在保持80%透光率的同时面电阻可以降低至15 ohm/sq，综合性能可以和市售的ITO透明导电膜相媲美。. 项目第三部分工作是提出一种氟化石墨烯的溶液制备方法。此方法以氧化石墨烯为原料，利用常见的氟化试剂二乙胺基三氟化硫化合物，转化氧化石墨烯的含氧基团为含氟基团而成的。方法具有条件温和，可以在溶液相中进行，氟含量易调控的特点，有可能用于氟化石墨烯的量化生产。