[發明專利]一種低成本石墨烯量子點制備方法

在審

• 申請號: 201810218149.5
• 申請日: 2018-03-16
• 公開（公告）號: CN108298524A
• 公開（公告）日: 2018-07-20
• 發明（設計）人: 劉全潤;張敬杰;邢寶林;黃光許;張傳祥;馬名杰;趙會會;李海鵬;賀賀
• 申請（專利權）人: 河南理工大學
• 主分類號: C01B32/184
• 分類號: C01B32/184;B82Y40/00
• 代理公司: 北京律譜知識產權代理事務所(普通合伙) 11457
• 代理人: 黃云鐸

本發明公開了一種低成本石墨烯量子點制備方法，所述方法包括下述步驟：步驟S1、稱取第一預定量的含碳原料置于反應容器中；步驟S2、稱取第二預定量的氧化劑加入所述反應容器中；步驟S3、對所述反應容器中的混合溶液進行超聲分散處理；步驟S4、對所述反應容器中的混合溶液以預定溫度進行加熱；步驟S5、對反應后的產物進行冷卻。本發明的制備過程步驟簡單，不需要任何苛刻的試劑/反應條件和后處理純化程序，產率高達80％以上，并且可以以環保的方式擴展到大量生產。本發明制備的石墨烯量子點，可穩定分散在水中，具有單分散、結構穩定、雜質少等特點。

技術領域

本發明屬于石墨烯材料制備技術領域，具體涉及一種水熱制備煤焦油瀝青基石墨烯量子點的方法。

背景技術

自從2004年Geim和Novoselov等人使用粘性膠帶從石墨塊剝離原子層薄的石墨烯以來，石墨烯由于其獨特的性能而受到越來越多的關注。然而石墨烯是一種零帶隙材料，觀察其發光的可能性是幾乎是不可能的，這阻礙了其在光電子學中的應用。作為石墨烯家族的最新成員，石墨烯量子點(GQDs)作為一種新型的量子點已經出現并引發了巨大的研究興趣。由于其量子限域效應非常顯著，GQDs具有許多新穎的化學/物理性質。此外， GQDs還顯示出低的細胞毒性、優異的溶解性、化學惰性、穩定的光致發光和更好的表面涂層，從而使它們在電子器件，傳感器，生物成像等方面有著廣泛的應用前景。

目前制備石墨烯量子點主要有自上而下和自下而上的兩大類方法。自上而下的方法包括電子束光刻、酸性剝離、電化學氧化和微波輔助水熱合成等，通過物理或化學方法將大尺寸的石墨烯薄片切割成小尺寸的石墨烯量子點。此外，石墨烯量子點還可以通過自下而上的路線制備，包括溶液化學、聚苯乙烯前體的環化脫氫、碳化一些特殊有機前體和合適前體的斷裂等。

下表中列出了現有的石墨烯量子點制備的常用方法以及制備過程。

但是，這些方法往往需要高成本的碳源、后處理純化程序、復雜的設備、長的反應時間、苛刻的試劑和反應條件等，具有一些明顯的缺陷和不足之處，不利于大規模生產。導致石墨烯量子點的制備成本一直居高不下，成為抑制石墨烯量子點發展的一個瓶頸。

現有的水熱方式制備石墨烯量子點的一種主要制備方法是：首先采用強氧化物(比如硝酸或硫酸)氧化獲得氧化石墨烯水溶液，然后利用氧化石墨烯水溶液再進一步采用的方雙氧水作為氧化劑，進一步催化氧化獲得石墨烯量子點。

比如，申請號為201110202165.3的專利申請中公開了一種基于光催化氧化的氧化石墨烯量子點的制備方法。其以應用Hummers法合成的氧化石墨烯水溶液為起始物，利用Photo-Fenton反應，即以H₂O₂為氧化劑，Fe3+ 為催化劑，在紫外光輻射下制備氧化石墨烯量子點。

該專利中，采用的制備方式為將氧化石墨烯分散于去離子水中，在工作頻率為40kHz，功率為160W的超聲作用下分散1h，將氧化石墨烯分散剝離成單層，得到單層氧化石墨烯水溶液；將濃度為0.01mg/mL的單層氧化石墨烯水溶液、10mM的H₂O₂水溶液按體積比為5∶20在室溫下混合攪拌得到混合溶液，用功率為1000W的汞燈和波長為190nm的紫外光輻射裝置構成的混合體系對混合溶液進行光催化氧化30min，即制備得到氧化石墨烯量子點。

但是，這種制備方法必須以氧化石墨烯為原料進行生產，而氧化石墨烯的制備必須要經過硝酸或硫酸等強氧化酸的作用，污染嚴重并且制備成本高。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明提出了一種不需要經過硝酸或硫酸進行預處理制備氧化石墨烯，就能夠進行石墨烯量子點的制備方法，本發明不需要制備氧化石墨烯的中間步驟，不需要使用硝酸或硫酸等強酸為原料。

瀝青質分子是由若干個單元片所構成，但是，瀝青質分子中并不存在天然的石墨烯。