阅读说明：本技术 一种水分散性碳纳米材料的高效纯化方法 (Efficient purification method of water-dispersible carbon nano material ) 是由 胡成国 杨佳 于 2019-07-25 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种水分散性碳纳米材料的高效纯化方法。将碳纳米材料、水溶性偶氮染料分子和可衍生修饰分子的球磨混合物用水溶解,然后将其与无机盐/碱水溶液混合均匀,在3000～10000转/分钟的离心速度下离心1～30分钟,将上层染料水溶液吸出,然后加入水超声溶解底部沉淀；重复上述盐析辅助离心纯化过程至洗净,得到分散于水中的碳纳米材料。本发明的突出特点是：使用常见的碱及盐作为辅助沉降剂,可在较短时间和较低离心速度下,实现游离态染料分子与水分散性碳纳米材料的高效分离,其纯化过程中碳纳米材料损失小、纯化试剂绿色环保、成本低,而且纯化过程对碳纳米材料的水分散性和光电性能等各方面的物理化学性能无影响。(The invention provides a high-efficiency purification method of a water-dispersible carbon nano material. Dissolving a ball-milled mixture of a carbon nano material, water-soluble azo dye molecules and derivatizable modification molecules with water, then uniformly mixing the ball-milled mixture with an inorganic salt/alkali aqueous solution, centrifuging the mixture at a centrifugal speed of 3000-10000 r/min for 1-30 min, sucking out an upper-layer dye aqueous solution, and then adding water to dissolve a bottom precipitate by ultrasonic wave; repeating the salting-out assisted centrifugal purification process to clean to obtain the carbon nano-material dispersed in water. The invention has the outstanding characteristics that: common alkali and salt are used as auxiliary settling agents, the high-efficiency separation of free dye molecules and the water-dispersible carbon nano material can be realized in a short time at a low centrifugal speed, the loss of the carbon nano material in the purification process is small, a purification reagent is green and environment-friendly, the cost is low, and the purification process has no influence on the physical and chemical properties of the carbon nano material in all aspects such as water dispersibility, photoelectric property and the like.)

一种水分散性碳纳米材料的高效纯化方法

技术领域

本发明属于材料合成领域，具体涉及一种水分散性碳纳米材料的高效纯化方法。

背景技术

以富勒烯、碳纳米管和石墨烯为代表的碳纳米材料，具有独特的结构、光电、机械等物理化学性能，先后引领了材料学领域的多次革命，在材料、能源、环保、生物医学等诸多领域具有广阔的应用前景。然而，限制这些材料大规模应用的一个关键因素是如何实现其在各种溶剂中的高效分散，这是构筑大量碳基功能材料、薄膜及器件的重要前提。相对于有机溶剂而言，水溶剂具有绿色环保、成本低、生物相容性好等特点，碳纳米材料水溶液的制备，对于生物医学等领域的应用也至关重要。

由于表面缺乏溶剂化基团，碳纳米材料在多数溶剂中的溶解度或分散性都很差。为了解决这一问题，各种共价和非共价方式被应用于碳纳米材料的表面修饰或改性，从而显著提高其在各种溶剂中的分散性。比如，基于水溶性阴离子偶氮染料与碳纳米材料之间的π-π及电荷转移非共价作用，通过简单的手工研磨或机械球磨处理，刚果红和直接黄50等偶氮染料能实现碳纳米管（Carbon 2006, 44, 428；发明专利200410060849.4）、富勒烯（Analytical Chemistry 2013, 85, 10612；发明专利201310367405.4）和石墨烯纳米片（Carbon 2017, 120, 411；发明专利201310434073.7）在水中的高效分散。其中，水分散性碳纳米管对多种有机小分子的电化学检测显示出较强的增敏效果（ElectrochemistryCommunications 2007, 9, 128），水分散性富勒烯被证明是一种优良的光电生物传感材料（Analytical Chemistry 2015, 87, 9368），而采用该方法制备的可分散性石墨烯纳米片则在导电、加热功能涂层等领域具有潜在的应用前景（Carbon 2017, 120, 411）。

虽然刚果红和直接黄50等偶氮染料可以通过球磨等方式规模制备高分散性碳纳米材料，所制备的功能材料在各个领域也具有良好的应用前景，然而球磨混合中游离态染料分子的去除一直是一个巨大的技术难题：（1）由于球磨后碳纳米材料的高水分散性，有部分球磨碳纳米材料在15000转/分钟的高速离心速度下也无法完全沉降，导致离心分离效率低、高分散性产物损失大；（2）由于刚果红等偶氮染料能与一些多糖牢固结合，球磨混合物中的游离态偶氮染料分子无法通过透析袋透析除去；（3）由于球磨后碳纳米材料的粒径小、分散性好，过滤洗涤速度慢，损失大。比如，对于富勒烯的球磨产物而言，0.1微米孔径的混合纤维素滤膜也无法截留部分尺寸小于100nm的水分散性富勒烯材料。因此，水溶性偶氮染料与碳纳米材料球磨混合物的高效纯化已成为水溶性碳纳米材料规模合成的关键制约因素。

发明内容

本发明提供了一种水分散性碳纳米材料的高效纯化方法，针对球磨得到的高水分散性偶氮染料碳纳米材料的混合物，能使用常见的低成本环保无机盐/碱水溶液，高效辅助离心分离纯化碳纳米材料，而不影响其分散性及光电化学性质等物理化学性能，从而有效克服单纯离心、透析和过滤等方案无法高产率、低成本纯化偶氮染料球磨碳纳米材料混合物的问题，为高水分散性及表面可衍生性碳纳米材料的规模制备铺平了道路。

一种水分散性碳纳米材料的高效纯化方法，其基本原理：在球磨过程中的机械力作用下，刚果红等偶氮染料可以通过π-π及电荷转移非共价作用固定到碳纳米材料表面形成稳定吸附层，可实现碳材料高效剥离和在水等溶剂中的高效分散；同时，在球磨过程中，一些含有氨基的双功能团分子（如氨基己酸、对氨基苯甲酸、3-氨基苯硼酸）中的游离氨基，能通过特殊的加成反应键合到碳纳米材料表面，从而在碳纳米材料表面引入羧基、苯硼酸等可衍生基团；相比于游离态染料分子而言，与碳纳米材料结合的水溶性偶氮染料聚集体具有更强的盐析效应。因此，可用具有合适pH值的高浓度盐溶液辅助离心分离纯化球磨混合物，在此过程中，水分散性碳纳米材料完全沉降而游离态染料分子仍留在溶液中，从而实现水溶性偶氮染料分散碳纳米材料的高效纯化。

其技术方案如下：

一种水分散性碳纳米材料的高效纯化方法：

（1）将碳纳米材料、水溶性偶氮染料分子和可衍生修饰分子的球磨混合物用水充分溶解得到球磨混合物水溶液，将其与至少两种一定浓度的无机盐或碱水溶液混合均匀，在3000~10000转/分钟的离心速度下离心1~30分钟，将上层清澈的染料水溶液吸出，然后加入一定体积水超声溶解底部沉淀；

（2）重复上述盐析离心辅助纯化洗涤过程4~5次，并将最后一次离心得到的碳纳米材料沉淀小心用纯水洗涤1~2次，保留上清液，以除去不溶于水的杂质，再将沉淀超声分散于水中形成特定浓度的碳纳米材料水分散溶液保存。

上述的一种水分散性碳纳米材料的高效纯化方法，步骤（1）所述的碳纳米材料为碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯、富勒烯、氮化碳及其衍生物；

上述的一种水分散性碳纳米材料的高效纯化方法，步骤（1）所述的水溶性偶氮染料分子为刚果红、直接黄50等含有磺酸根和偶氮基团的水溶性阴离子偶氮染料分子；

上述的一种水分散性碳纳米材料的高效纯化方法，步骤（1）所述的可衍生修饰分子是能与碳纳米材料球磨反应的含有羧基、氨基、硼酸根的双功能团分子，包括对氨基苯甲酸、氨基己酸、对氨基苯硼酸及其异构体；

上述的一种水分散性碳纳米材料的高效纯化方法，步骤（1）所述的无机盐/碱水溶液，钠离子、钾离子、铵离子、镁离子、钙离子的硫酸盐、磷酸盐、氯化盐、硝酸盐、醋酸盐、氢氧化物及其混合物水溶液等。

上述的一种水分散性碳纳米材料的高效纯化方法，步骤（1）中所述的球磨混合物水溶液中碳纳米材料的浓度为2㎎/mL，将其与至少两种一定浓度无机盐/碱水溶液等体积混合均匀，在3000~10000转/分钟的离心速度下离心1~30分钟，将上层清澈的染料水溶液吸出，然后加入一定体积水超声溶解底部沉淀，使碳纳米材料的浓度为2㎎/mL；重复上述盐析离心辅助纯化过程4~5次。

本发明还提供了针对不同球磨混合物的两种具体实施方案：

（1）针对碳纳米材料与水溶性偶氮染料组成的二元球磨混合物或者碳纳米材料、水溶性偶氮染料与非氨基己酸修饰分子所组成的三元球磨混合物，可采用单一高浓度盐或碱溶液进行盐析辅助离心分离，优选20~60%的硫酸铵水溶液或摩尔浓度2~6mol/L的氢氧化钠水溶液与球磨混合物等体积混合均匀后，再进行离心分离；此处，100%的硫酸铵水溶液是将767克硫酸铵固体加入到1升水中充分溶解，并用氨水或硫酸调节溶液pH 7.0所得的溶液。

上述的一种水分散性碳纳米材料的高效纯化方法，所述非氨基己酸为庚酸、苯硼酸或其它不含氨基但含其它含氧官能团的分子。

（2）针对碳纳米材料、水溶性偶氮染料与氨基己酸所组成的三元球磨混合物，由于其极好的水分散性能，方案（1）所采用的盐析配方不适用，优选由1~5mol/L NaH₂PO₄和2~10mol/L NaOH按照 5:1 ~1:5体积比组成的混合盐溶液与球磨混合物溶液等体积混合，可用于该三元球磨混合物的盐析辅助离心分离纯化。

作为一种简单易行的方案，与刚果红等偶氮染料的一步球磨处理，能实现碳纳米材料在水等溶剂中的高浓度、高稳定分散，所制备的碳纳米材料具有优异的光电学性质，在功能涂层、电子器件、生物传感等领域应用广泛。然而，偶氮染料与碳纳米材料球磨混合物中游离态染料分子的去除是制约材料制备及应用的关键因素。借鉴蛋白质分级盐析分离纯化原理，本发明采用高浓度盐/碱水溶液辅助碳纳米材料球磨混合物的离心分离，能使用常见的无机盐或碱水溶液，在较低离心速度和较短的离心时间内，实现游离态染料分子与水分散性碳纳米材料的高效分离，具有产率高、成本低、易操作、易规模化放大、分离过程绿色环保等特点，而且该盐析辅助分离纯化方案不影响碳纳米材料的分散性、光电性质等物理化学性能，从而有效克服了水分散性碳纳米材料规模化制备的瓶颈问题，为其后续推广应用打下基础。

具体实施方式

实施例1

将3mg刚果红球溶于1mL水中，超声分散1分钟后，溶液转入透析袋中透析24小时，透析袋外水溶液无变色情况，但透析袋吸附大量红色，表明游离态刚果红分子无法通过透析除去。

实施例2

将质量比1:3的单壁碳纳米管与刚果红的球磨混合物4mg溶于1mL水中，超声分散1分钟后，15000转/分钟离心10分钟，所得溶液底部有黑色沉淀，上层溶液仍为较深的黑红色；与之相对，3mg/mL刚果红水溶液离心后上层溶液为深红色。该现象表明，即使采用较高的离心速度，仍有部分高分散性碳纳米管未能被离心下来，该现象也适用于石墨烯纳米片的离心分离。

实施例3

将质量比1:3的富勒烯C₆₀与刚果红的球磨混合物4mg溶于1mL水中，超声分散1分钟后，所得溶液使用0.1微米孔径混合纤维素滤膜进行抽滤洗涤，直至滤液无明显的红色。在过滤过程中，可以观察到滤膜上的棕色C₆₀固体残留物很少，而过滤洗涤后期的滤液呈现浅棕色，表明有部分高分散性C₆₀透过滤膜进入滤液，过滤洗涤过程损失较大、且速度很慢。

实施例4

将质量比1:3的单壁碳纳米管与刚果红的球磨混合物4mg溶于装有1mL水的2mL塑料离心管中，超声分散1分钟后，与30%的硫酸铵水溶液等体积混合，混合溶液10000转/分钟离心5分钟，用塑料滴管小心除去所得溶液的上层深红色溶液，其底部沉淀用1mL水超声分散；重复上述盐析辅助离心纯化过程，直至上层溶液呈现无色，其底部黑红色泥状沉淀用水小心洗涤两次，再用水超声分散成特定浓度水溶液保存。

实施例5

将质量比1:3的单壁碳纳米管与刚果红的球磨混合物4mg溶于装有1mL水的2mL塑料离心管中，超声分散1分钟后，与46%的硫酸铵水溶液等体积混合，混合溶液5000转/分钟离心5分钟，用塑料滴管小心除去所得溶液的上层深红色溶液，其底部沉淀用1mL水超声分散；重复上述盐析辅助离心纯化过程，直至上层溶液呈现无色，其底部黑红色泥状沉淀用水小心洗涤两次，再用水超声分散成特定浓度水溶液保存。与之相对，3mg/mL刚果红水溶液与46%硫酸铵水溶液等体积的混合溶液，在此离心速度下，无明显的沉淀产生。

实施例6

将质量比1:3的富勒烯C₆₀与刚果红的球磨混合物4mg溶于装有1mL水的2mL塑料离心管中，超声分散1分钟后，与2mol/L的NaOH水溶液等体积混合，混合溶液10000转/分钟离心5分钟，用塑料滴管小心除去所得溶液的上层深红色溶液，其底部沉淀用1mL水超声分散；重复上述碱析辅助离心纯化过程，直至上层溶液呈现无色，其底部黑红色泥状沉淀用水小心洗涤两次，再用水超声分散成特定浓度水溶液保存。

实施例7

将质量比1:3的富勒烯C₆₀与刚果红的球磨混合物4mg溶于装有1mL水的2mL塑料离心管中，超声分散1分钟后，与4mol/L的NaOH水溶液等体积混合，混合溶液3000转/分钟离心5分钟，用塑料滴管小心除去所得溶液的上层深红色溶液，其底部沉淀用1mL水超声分散；重复上述碱析辅助离心纯化过程，直至上层溶液呈现无色，其底部黑红色泥状沉淀用水小心洗涤两次，再用水超声分散成特定浓度水溶液保存。与之相对，3mg/mL刚果红水溶液与4mol/L的NaOH水溶液等体积的混合溶液，在此离心速度下，无明显的沉淀产生。

实施例8

将质量比1:1:4的富勒烯C₆₀、氨基己酸和刚果红的球磨混合物6mg溶于装有1mL水的2mL塑料离心管中，超声分散1分钟后得到溶液（1）；将1mo/L NaH₂PO₄与2mol/L NaOH按体积比1:5进行混合，得到溶液（2）；将溶液（1）与溶液（2）等体积混合，混合溶液在5000转/分钟下离心5分钟，用塑料滴管小心除去所得溶液的上层深红色溶液，其底部沉淀用1mL水超声分散；重复上述盐析辅助离心纯化过程，直至上层溶液呈现无色，其底部黑红色泥状沉淀用水小心洗涤两次，在用水超声分散成特定浓度水溶液保存。该实施例纯化过程与结果与实施例7相似。

实施例9

将质量比1:1:4的富勒烯C60、氨基己酸和刚果红的球磨混合物6mg溶于装有1mL水的2mL塑料离心管中，超声分散1分钟后得到溶液（1）；将5mo/L NaH2PO4与10mol/L NaOH按体积比5:1进行混合，得到溶液（2）；将溶液（1）与溶液（2）等体积混合，混合溶液在5000转/分钟下离心5分钟，用塑料滴管小心除去所得溶液的上层深红色溶液，其底部沉淀用1mL水超声分散；重复上述盐析辅助离心纯化过程，直至上层溶液呈现无色，其底部黑红色泥状沉淀用水小心洗涤两次，在用水超声分散成特定浓度水溶液保存。该实施例纯化过程与结果与实施例7相似。