[發明專利]一種煤基石墨烯量子點的制備方法

有效

• 申請號: 201410056637.2
• 申請日: 2014-02-19
• 公開（公告）號: CN103803540A
• 公開（公告）日: 2014-05-21
• 發明（設計）人: 蘇言杰;張麗玲;張亞非
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04;C09K11/65
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 蔣亮珠

技術領域

本發明屬于納米材料制備技術領域，具體是一種以天然煤為原料，利用改進Hummers法制備煤基石墨烯量子點的新方法。

背景技術

石墨烯量子點作為一種準零維納米材料，除了具有石墨烯獨特的電子輸運特性以及碳量子點的化學惰性、低毒性、較好的生物相容性、抗光漂白等特性外，還具有由量子限域和邊界效應所導致的許多新特性。目前石墨烯量子點已經被應用于發光二極管、太陽能電池、光催化、生物探針、熒光標記、納電子器件等方面。

石墨烯量子點的制備方法有：水熱法、電化學法、超聲法、微波法、電子束刻蝕法等。但這些方法制備石墨烯量子點都存在諸如原材料昂貴、設備要求苛刻、能量消耗高、石墨烯量子點產率低、制備效率低下等缺點。經對現有文獻檢索發現，Changsheng?Xiang等人在NATURE?COMMUNICATIONS，2013，4：2943上發表了“Coal?as?an?abundant?source?of?graphene?quantum?dots”。該研究團隊選用煤這個資源豐富的原材料，煤礦產豐富，并且具有多孔的內部結構，有利于化學試劑的滲透，加速氧化反應。但該研究過程中，采用的濃硫酸和濃硝酸的處理方法對煤結構破壞嚴重，引入太多的缺陷，制備得到的石墨烯量子點尺寸均一性差。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種原材料豐富、價格便宜，制備工藝簡單，產量大，適用于大規模商業化生產的煤基石墨烯量子點的制備方法。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：一種煤基石墨烯量子點的制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

(1)原料預處理

煤塊的研磨：將天然煤塊作為原材料，通過機械力碾碎成不同尺寸的粉料，利用不同目數的篩子過篩，獲得不同尺寸的煤粉料作為原材料；

(2)水溶性石墨烯量子點的制備

使用改進Hummers法制備石墨烯量子點：將煤粉料與強酸混合后放入超聲池超聲處理，然后放入冰箱冷凍過夜，取出后緩慢加入硝酸鈉并繼續攪拌30min，將反應裝置置于冰浴中，緩慢加入高錳酸鉀并攪拌30min，再將反應裝置置于35℃水浴中，加入去離子水以及雙氧水，反應攪拌過夜，最后將上述反應溶液離心分離，取上清液加堿性反應物中和至中性，透析去除鹽分后即得到水溶性的石墨烯量子點。

所述的煤粉料的尺寸為100～1000目。

所述的強酸為濃硫酸、濃硝酸中的一種或兩者混合物，其加入量為每克煤粉料原料添加0.1～0.8mol。

所述的硝酸鈉的加入量為每克煤粉料原料加0.2～1.0g，所述的高錳酸鉀的加入量為每克煤粉料原料加2.0～8.0g。

所述的去離子水的加入量為每克煤粉料原料加40～100ml，所述的雙氧水水的加入量為每克煤粉料原料加5～40ml雙氧水。

所述的離心分離的速率為8000～20000rpm，時間為10～60min。

所述的堿性反應物為NaCO₃、NaOH或KOH。

所述的透析袋截留量為1000～3000Da。

通過調節煤粉原料的尺寸、反應溫度和時間、離心分離速率和時間以及透析袋的截留量得到尺寸可控的水溶性石墨烯量子點。

與現有技術相比，本發明通過控制煤粉原料的尺寸、反應溫度及時間、透析袋截留量，獲得低成本的水溶性石墨烯量子點，制備操作簡單，反應比較溫和，適合商業化生產。

附圖說明

圖1為本發明石墨烯量子點的制備工藝流程圖；

圖2為實施例1所制備石墨烯量子點的吸收光譜。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。

實施例1

將天然煤塊通過機械力碾碎過篩得到500目粉料，取1g煤粉與0.5mol濃硫酸在燒杯中混合并放入超聲池超聲30min，然后放入冰箱冷凍過夜。取出后緩慢加入1.0g硝酸鈉，攪拌30min，將反應裝置置于冰浴中，緩慢加入2.0g高錳酸鉀，攪拌2h，再將反應裝置置于水浴35℃中，加入60ml水以及20ml雙氧水，反應攪拌過夜。將上述反應溶液離心分離，離心速率為10000rpm，時間為30min，取上清液加Na₂CO₃中和至中性，采用截留量為2000的透析袋透析3天，得到水溶性的石墨烯量子點。其紫外-可見光吸收光譜如圖2所示。

實施例2