[發明專利]制備石墨烯/半導體量子點復合材料的方法

無效

• 申請號: 201010264796.3
• 申請日: 2010-08-27
• 公開（公告）號: CN101913600A
• 公開（公告）日: 2010-12-15
• 發明（設計）人: 程萍;藍天;余家龍;王俊飛;陳瑞昊;郭守武
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04;C01B19/04
• 代理公司: 上海交達專利事務所 31201
• 代理人: 王錫麟;王桂忠

技術領域

本發明涉及的是一種無機納米材料技術領域的方法，具體是一種制備石墨烯/半導體量子點復合材料的方法。

背景技術

石墨烯是由碳原子通過共價鍵結合而成的理想二維晶體，它不但具有大的比表面積(2630m²/g)，而且具有優異的力學性能(楊氏模量達1100GPa，斷裂強度達125GPa)、熱學性能(導熱系數為5000W/m.K)和電學性能(電荷遷移率高達2×10⁵cm²/V.s)，有望在能量存儲材料、聚合物復合材料、液晶顯示器件和生化傳感器等方面得到應用。

半導體量子點的尺寸為幾納米到幾十納米，由于量子尺寸效應，它具有分立的電子能級和尺寸依賴的能級間距和帶隙，因而具有良好的光學性能，有望在光電器件、電致發光、生物熒光標記等方面得到應用。其中，量子點太陽能電池由于其可調的太陽光譜吸收以及一個高能光子可產生多個電子的性質，能量轉換效率有望突破Shockley-Queisser極限(33.7％)，因此成為太陽能電池領域的研究熱點之一。目前開發高效率量子點太陽能電池的挑戰之一是如何使光生電子/空穴對有效分離，并使光生電子快速傳輸到電極表面。

利用半導體量子點的光敏特性，以及石墨烯的高電荷遷移率和大比表面積，制備石墨烯/半導體量子點復合材料，有望提供一種新型高效光電轉換材料。

經過對現有技術的檢索發現，中國專利申請號200910050334.9和200910050333.4均公開了一種制備石墨烯/硫化鎘量子點復合材料的制備方法，但兩者都采用了二甲亞砜作為硫化鎘的硫源，因此對其它非硫化鎘量子點的制備不具有普適性。

進一步檢索發現，中國專利申請號200910035780.2公開了一種石墨烯與半導體納米顆粒復合體系及其合成方法，但該技術采用的是合成工藝重復性較差、原料(有機重金屬鹽)毒性很大、成本昂貴的油溶性量子點，且制備過程中需要進行配體置換或修飾，因此制備工藝復雜。

發明內容

本發明針對現有技術存在的上述不足，提供一種制備石墨烯/半導體量子點復合材料的方法，采用巰基酸作為穩定劑合成的水溶性量子點，這些量子點表面帶有羧基，而化學氧化還原法制備的石墨烯片層表面帶有羥基，通過羥基和羧基的共價結合，形成石墨烯與半導體量子點的復合材料，由于石墨烯和量子點可在水中互溶，不需要進行配體置換或修飾，因而大大簡化了制備工藝，降低了成本。

本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括以下過程和步驟：

第一步、單層石墨烯的制備：將石墨粉與硝酸鈉置于低溫酸性環境下攪拌混合后經強氧化反應后依次加入雙氧水和去離子水，經清洗過濾后采用水合肼進行還原得到石墨烯溶液。

所述的強氧化反應是指：在1小時內將高錳酸鉀分3-4批加入，加入時保持在不高于20℃的環境下劇烈攪拌，然后用水浴加熱到35±3℃，攪拌反應2小時后向其中緩慢加入去離子水，得到褐色的石墨懸浮液；

所述的雙氧水是指：30wt.％雙氧水；

所述的清洗過濾是指：過濾后采用溫度為45℃的質量百分比為3％的稀鹽酸將濾餅反復洗滌3次，然后再進行離心處理并在40℃的真空干燥箱中干燥24小時后得到固體氧化石墨烯；

所述的還原反應是指：將固體氧化石墨烯配成濃度為0.1mg/L～1g/L的水溶液，超聲剝離1小時后，向氧化石墨烯溶液中加入還原劑水合肼和氨水溶液，在95℃下攪拌反應1小時，得到黑色的均勻分散的石墨烯溶液。

第二步、量子點的制備：通過將硒氫化鈉(NaHSe)溶液或碲氫化鈉(NaHTe)溶液或H₂S氣體快速注入重金屬的高氯酸鹽、氯化物或硝酸鹽與巰基酸的混合液中，經過加熱處理后得到量子點溶液。

所述的硒氫化鈉溶液或碲氫化鈉溶液通過以下方式制備獲得：將Se粉或Te粉置于密封的試劑瓶中，快速向其中注入NaBH₄水溶液，直至黑色Se或Te粉消失，得到透明的NaHSe或NaHTe水溶液；

所述的快速注入是指：在磁力攪拌和氮氣保護的環境下將硒氫化鈉溶液或碲氫化鈉溶液或H₂S氣體在磁力攪拌和通N₂的條件下，迅速注入混合液中，其中各物質量的摩爾比為：重金屬離子∶硒離子、碲離子或硫離子∶巰基酸＝1∶0.5～1∶1～2.5，經過混合攪拌均勻后，得到量子點前驅體溶液。

所述的重金屬包括∶鉻、汞或鉛。