[發明專利]一種碳化玉米芯電化學氧化制備碳點的方法

在審

• 申請號: 202210371002.6
• 申請日: 2022-04-11
• 公開（公告）號: CN114940486A
• 公開（公告）日: 2022-08-26
• 發明（設計）人: 趙宗彬;李瑞林;孫洋;邱介山
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: C01B32/15
• 分類號: C01B32/15;C25B1/135;C25B1/50;C09K11/65;B82Y20/00;B82Y30/00
• 代理公司: 大連星海專利事務所有限公司 21208
• 代理人: 楊翠翠

一種碳化玉米芯電化學氧化制備碳點的方法，其屬于納米碳材料制備的技術領域。該方法將碳化玉米芯作為陽極，以堿性電解質水溶液為電解液，在恒電流下電化學氧化刻蝕得到碳點在電解液中的分散液，通過過濾、透析、冷凍干燥后可得到碳點。本發明公開的方法簡單、安全、可控，可以實現碳點的大量和綠色制備。

技術領域

本發明涉及一種以玉米芯為原料，經碳化和電化學氧化制備碳點的方法，屬于納米碳材料制備領域。

背景技術

一般情況下，碳點是指三個維度上尺寸均小于10 nm的碳納米材料，由碳質核心和含有豐富官能團的表面鈍化層構成，因為具有高比表面積、良好的分散性、豐富的表面官能團和缺陷、低生物毒性和光致發光等特性，在生物成像、藥物傳遞、電發光器件、離子檢測、催化、儲能等領域展現出良好的應用價值。但是，大部分碳點制備方法受到成本、安全性、環境保護等多種因素制約，難以大規模生產，因此限制了碳點的廣泛研究和實際應用。

碳點的制備方法可以分為“自下而上”和“自上而下”兩大類。“自下而上”的方法是將有機小分子通過溶劑熱、高溫熱解、超聲等手段聚合成碳點，對設備要求高且環境污染較大。“自上而下”的方法是將大的碳前驅體通過激光刻蝕、超聲、化學氧化、電化學氧化等手段剪裁為小尺寸的碳點，其中：激光刻蝕、超聲等方法對設備要求比較高且效率較低；化學氧化法較為常用，但大量強酸和強氧化劑的使用會造成環境污染和存在安全隱患；電化學氧化法是一種綠色的碳點生產方法，與傳統的化學氧化法相比，減少或消除了強酸、強氧化劑的使用，具有過程安全、對環境污染小、反應速度快等優點，但是采用合適的電極材料是關鍵。以往的研究使用的碳前驅體均為人工合成或不可再生的材料，且需要額外加工成型，提高了制備過程的成本和資源代價。例如中國專利CN106947475A、CN104028291B、CN102492421B分別使用石墨、煤、碳纖維作為電極材料。專利(CN 105038781 A)采用玉米芯為原料制備熒光碳點，但采用的是水熱法、微波法和超聲法加熱反應或直接煅燒法；因此，開發一種兼顧原料的低成本、環境保護、安全性、高效率反應的碳點制備方法仍然是一大挑戰。

發明內容

本發明的目的在于提供一種綠色高效的碳點制備新方法，具有簡單、低成本、操作條件安全、可控的優點，可作為一種適用于大批量生產碳點的方法。

本發明采用的技術方案是：

本發明提供了一種從玉米芯出發，綠色、高效制備碳點的方法，以玉米芯為原料，經碳化處理，以堿性電解質水溶液為電解液，電化學陽極氧化碳化玉米芯制備碳點在電解質溶液中的分散液，然后，真空抽濾去除未充分電化學氧化的雜質，透析去除電解質，脫水、干燥得到碳點粉末。

其中包括：

將玉米芯在惰性氣氛保護下碳化，碳化溫度為700~1000℃，保護氣氛為氮氣、氬氣等惰性氣體，升溫速率為5-50℃/min，升到指定溫度后保溫時間為1-4 h；

將碳化玉米芯用作陽極，對電極可以選擇Pt、石墨等惰性電極，以LiOH、NaOH、KOH等堿性電解質的水溶液作為電解液，電解質濃度為0.1~5 mol/L，電流密度為0.1~2.5 A/g，電化學反應得到碳點在電解液中的分散液；

將碳點分散液真空過濾以去除未充分電化學氧化刻蝕的大塊雜質，所用濾膜孔徑為0.22 μm，過濾后的碳點分散液透析去除電解質，直到使用pH試紙測試透析析出液為中性，透析袋透過分子量≤200；

將除去電解質的碳點分散液，脫水、烘干得到碳點的粉末，烘干溫度80-150^oC

本發明的有益效果在于：

1.原材料玉米芯是一種可再生生物質資源，成本低廉。

2.碳化玉米芯相較于煤、石墨等碳源制備的電極，無需成型等加工處理，碳化即可用，特別是碳化玉米芯電極材料具有發達的天然多孔結構，可以通過毛細作用使電解液充滿整個電極材料，從而擴大電化學氧化的反應面積，大大加快了反應制備速率。