[發(fā)明專利]采用淀粉制備石墨烯量子點(diǎn)的綠色合成方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811115740.4
• 申請(qǐng)日: 2018-09-25
• 公開（公告）號(hào): CN108892130A
• 公開（公告）日: 2018-11-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳衛(wèi)豐;呂果;胡玉林;李永雙;陳少娜;李德江;代忠旭
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 三峽大學(xué)
• 主分類號(hào): C01B32/184
• 分類號(hào): C01B32/184
• 代理公司: 宜昌市三峽專利事務(wù)所 42103
• 代理人: 成鋼

本發(fā)明公開了一種采用淀粉制備石墨烯量子點(diǎn)的綠色合成方法。該石墨烯量子點(diǎn)的制備采用淀粉作為碳源，利用去離子水作為綠色溶劑，具體是在帶有攪拌裝置的容器內(nèi)加入去離子水，可溶性淀粉，攪拌10?30min使之完全溶解；將上述得到的溶液加入水熱釜反應(yīng)器，逐漸升溫至120?250℃，保持壓力在8Mpa以內(nèi)，進(jìn)行水熱反應(yīng)，反應(yīng)1?15h后出料；將得到的黑褐色物料在離心機(jī)中以3000?15000r/min的速度進(jìn)行離心分離，底層為黑褐色沉淀，上層為淡黃色透明液體，即為石墨烯量子點(diǎn)的水溶液。采用本方法所制備的石墨烯量子點(diǎn)，能較好地溶解在水中，粒徑尺寸均勻，并且具有良好的熒光性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及納米材料領(lǐng)域的一種制備石墨烯量子點(diǎn)的方法，更具體指一種采用淀粉制備石墨烯量子點(diǎn)的綠色方法，所得到的石墨烯量子點(diǎn)具有良好的水溶性，粒徑尺寸均勻，同時(shí)具有良好的熒光性能。

背景技術(shù)

2004年，英國(guó)科學(xué)家首次制備出了由碳原子以sp²雜化連接的單原子層構(gòu)成的新型二維原子晶體-石墨烯, 其厚度只有0.3354 nm，是目前世界上發(fā)現(xiàn)最薄的材料。目前制備石墨烯量子點(diǎn)的傳統(tǒng)方法主要為氧化切割法，需要使用硫酸或硝酸等強(qiáng)氧化劑對(duì)各種碳材料（石墨、碳纖維、碳納米管）進(jìn)行氧化切割，對(duì)環(huán)境有一定的影響。而且，在氧化反應(yīng)之后，對(duì)產(chǎn)物的后續(xù)處理過(guò)程復(fù)雜。因此，尋找一種環(huán)境友好和更適合工業(yè)化的方法是目前一個(gè)亟待解決的難題。

另一方面，由于石墨烯超大的平面共軛結(jié)構(gòu)，石墨烯中的π電子具有顯著的離域效應(yīng)。因此，較大二維尺寸的石墨烯片具有零帶隙的半金屬材料特性，這限制了石墨烯在光電器件和半導(dǎo)體等領(lǐng)域的應(yīng)用。打開石墨烯帶隙，將其從半金屬材料轉(zhuǎn)變成半導(dǎo)體材料，引起了人們的普遍關(guān)注。目前，打開石墨烯帶隙的方法主要有兩種，一種是對(duì)石墨烯進(jìn)行化學(xué)摻雜以破壞其π電子共軛體系。另外一種是基于量子效應(yīng)，將石墨烯切割成納米帶、納米篩或量子點(diǎn)（GQDs）。石墨烯量子點(diǎn)（GQDs）是二維側(cè)向尺寸小于 100 nm 的石墨烯片，因量子限域效應(yīng)和邊界效應(yīng)而呈現(xiàn)出特殊的物理化學(xué)性質(zhì)，是一種具有帶隙的半導(dǎo)體材料。相較于傳統(tǒng)半導(dǎo)體量子點(diǎn)，GQDs 毒性低、水溶性好、化學(xué)活性低和熒光性質(zhì)穩(wěn)定。此外，GQDs 具有單原子層平面共軛結(jié)構(gòu)和較大的比表面積，表面易于覆載生物大分子，且其表面的含氧基團(tuán)為外來(lái)分子與 GQDs 的結(jié)合提供了活性位點(diǎn)，在太陽(yáng)能電池、光電子器件、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

GQDs 的制備方法主要分為自上而下和自下而上兩種方法。自上而下法主要包括強(qiáng)酸氧化法，水熱/溶劑熱法，電化學(xué)氧化法等。自下而上方法主要包括可控合成和碳化反應(yīng)。針對(duì)目前所報(bào)道的各種GQDs制備方法普遍存在的問題，比如制備過(guò)程復(fù)雜，反應(yīng)條件苛刻，本發(fā)明采用淀粉作為原料，采用去離子水作為溶劑，利用綠色方法制備出質(zhì)量良好的GQDs。相比較于其它制備方法，本方法的反應(yīng)體系綠色安全，反應(yīng)條件溫和，反應(yīng)速率較快，產(chǎn)物后處理過(guò)程簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)GQDs 的簡(jiǎn)單綠色的宏量制備，具有重要的應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于解決目前GQDs制備方法普遍存在的問題，采用淀粉作為原料，同時(shí)制備出粒徑尺寸均勻的GQDs，本方法的反應(yīng)體系綠色安全，反應(yīng)條件溫和，反應(yīng)速率較快，產(chǎn)物后處理過(guò)程簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)GQDs 的簡(jiǎn)單綠色的宏量制備，具有重要的應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用前景。其技術(shù)方案如下：

（1）在帶有攪拌裝置的容器內(nèi)加入一定質(zhì)量的去離子水，再根據(jù)上述的配比范圍加入適量的淀粉，不加熱或者加熱至40-70℃，攪拌分散10-30min，至完全溶解或分散均勻；

（2）將第（1）步中得到的溶液或懸浮液加入水熱釜，逐漸升溫至120-250℃，保持壓力在8Mpa以內(nèi)，進(jìn)行水熱反應(yīng)，反應(yīng)1-15h后出料；

（3）將第（2）步得到的黑褐色物料在離心機(jī)中以3000-15000r/min的速度進(jìn)行離心分離，分離出黑褐色沉淀，上層得到的淡黃色透明液體，即為石墨烯量子點(diǎn)的水溶液。