CN103539104A - 一种石墨烯量子点分散液的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种石墨烯量子点分散液的制备方法。该方法采用金属单质与气体二氧化碳发生化学反应；首先使金属材料燃烧，燃烧过程中产生的热量为该金属与气体二氧化碳反应提供高温条件，使该金属与二氧化碳发生反应生成单质碳与金属氧化物，并且单质碳沉积在该属氧化物表面；然后，采用酸洗液进行酸洗、离心、透析处理，得到石墨烯量子点分散液。实验证实，该方法成本低、简单易行，利用该方法制得的分散液中的石墨烯量子点粒径细小、分散均匀，并且强的荧光性质，因此在生物荧光标记、生物细胞成像等方面具有良好的应用。

Description

一种石墨烯量子点分散液的制备方法

技术领域

本发明属于纳米材料制备技术领域，尤其涉及一种石墨烯量子点分散液的制备方法。

背景技术

石墨烯（Graphene）是由sp2杂化碳原子组成的，呈周期蜂窝点阵结构，其只有单层原子厚度，可以翘曲成零维富勒烯（Fullerene），卷绕成一维碳纳米管（CarbonNanotube）或堆垛成三维石墨（Graphite）。

作为石墨烯家族的最新成员，零维的石墨烯量子点（Graphene Quantum Dots，GQDs）除了具有石墨烯的优异性能之外，由于其尺寸在10nm以下，因此不仅表现出了量子限域效应和边界效应，而且引发了一些新的物理性质，所以在生物细胞成像、生物标记、电化学传感器、纳米电极等方面有广泛的应用。

石墨烯量子点的合成方法主要分为自上而下的方法和自下而上的方法。自上而下的方法包括水热法、电化学氧化法、化学剥离碳纤维法等，自下而上的方法包括溶液化学法、超声波法和微波法、可控热解多环芳烃法等。自上而下的方法步骤相对简单，产率较高，但不能实现对石墨烯量子点的形貌和尺寸的精确控制。自下而上的方法可控性较强，但步骤繁琐、操作麻烦。

发明内容

本发明针对上述石墨烯量子点制备技术中的不足，提供一种制备石墨烯量子点分散液的方法，利用该方法能够快速、简单地制得石墨烯量子点分散液，并且分散液中的墨烯量子点粒径小、分散性好，并且具有较强的荧光性质。

本发明提供的技术方案为：一种石墨烯量子点分散液的制备方法，反应体系中包括金属单质与二氧化碳气体；首先，使金属材料在空气或者纯氧气环境中燃烧，该燃烧过程中产生的热量为该金属与二氧化碳反应提供高温条件，使该金属与二氧化碳发生反应生成单质碳与金属氧化物，并且单质碳沉积在该金属氧化物表面；然后，采用酸洗液对反应产物进行酸洗，使该金属氧化物溶解在溶液中；最后，进行离心、透析处理，得到石墨烯量子点分散液。

所述的金属能够在空气或者氧气条件下燃烧，并且能够与二氧化碳发生反应得到单质碳；该金属包括但不限于镁、铝、钾、钙、钠等。

所述的金属材料的形式不限，可以是块状、条状、丝状或者粉末状。

所述的酸洗液能够溶解该金属氧化物，包括但不限于包含盐酸、硝酸、磷酸、硫酸等的溶液。

所述的透析处理过程为：将离心后的上层清液置于截留分子量为3500～14000Da的透析袋中进行透析。其中，透析液可以是去离子水或者酒精等。

所述的二氧化碳气体的来源不限，可以是通过化学反应制备得到的二氧化碳气体等，也可以通过固体干冰升华得到。在实际操作过程中，由于干冰呈固体状，在室温下即升华为二氧化碳气体，因此干冰优选为本发明二氧化碳气体的一种提供方式。当采用干冰进行制备时，其步骤如下：

步骤1：将金属材料置于块状干冰表面，在空气或者纯氧气环境中燃烧，燃烧过程中产生的热量为该金属与二氧化碳反应提供高温条件，使该金属与二氧化碳发生反应成单质碳与该金属氧化物，并且单质碳沉积在该金属氧化物表面；

在该步骤1中，为了充分利用金属材料燃烧时所产生的热量，作为优选，干冰表面设计用于放置金属材料的凹槽。为了防止该金属材料在凹槽内燃烧时的热量散失，作为进一步优选，当金属材料在该凹槽内燃烧时，使用另一块干冰遮盖住该凹槽口的一部分；

步骤2：采用酸洗液对步骤1的反应产物进行酸洗，使该金属氧化物溶解在溶液中；最后进行离心、透析处理，得到石墨烯量子点分散液。

当采用气体状的二氧化碳进行制备时，其具体步骤如下：

步骤1：将金属材料在空气或者纯氧气环境中燃烧，同时，在反应体系中通入二氧化碳气体，使该燃烧过程中产生的热量为该金属与二氧化碳反应提供高温条件，使该金属与二氧化碳发生反应生成单质碳与该金属氧化物，并且单质碳沉积在该金属氧化物表面；

步骤2：采用酸洗液对步骤1的反应产物进行酸洗，使该金属氧化物溶解在溶液中；最后进行离心、透析处理，得到石墨烯量子点分散液。

综上所述，本发明提供了一种制备石墨烯量子点分散液的简单方法，该方法具有如下优点：

（1）成本低、简单易行

该方法中所使用的化学试剂均可在市场上买到，且价格便宜。并且，该方法简单易行，只需将金属燃烧，对燃烧产生的热量进行巧妙利用，使其为二氧化碳与金属提供了高温条件，从而促使二氧化碳与金属发生反应生成碳单质吸附在金属氧化物表面，然后通过酸洗、离心、透析等过程制得石墨烯量子点分散液；

（2）石墨烯量子点性能良好

利用该方法获得的分散液中石墨烯量子点粒径小、分散性好，并且具有强的荧光性质，因此在生物荧光标记、生物细胞成像、电化学传感器、纳米电极等方面具有良好的应用。

附图说明

图1是本发明实施例1中的带凹槽的块状干冰示意图；

图2是本发明实施例1中的干冰与镁带的反应图；

图3是本发明实施例1中制得的石墨烯量子点分散液的透射电镜图；

图4是本发明实施例1中制得的石墨烯量子点的电子衍射图；

图5是本发明实施例1中制得的石墨烯量子点的荧光光谱图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

实施例1：

本实施例中，石墨烯量子点分散液的制备步骤如下：

步骤1、如图1所示，将块状干冰表明凿一凹槽；

步骤2、将镁带剪为约8cm长的小段，卷绕成圆圈，于酒精灯上点燃后迅速放入干冰的凹槽中，如图2所示，并用另一块干冰盖住凹槽口的一部分，即凹槽口留有空隙，燃烧过程中产生的热量为该金属镁与二氧化碳反应提供了高温条件，使该金属与二氧化碳反应生成单质碳与二氧化镁，并且单质碳沉积在二氧化镁表面；

步骤3、反应结束后，将步骤2中的反应产物用0.37%～5%的稀盐酸酸洗，过滤，并用去离子水洗涤3～6次，用酒精洗涤1～3次，将得到的滤饼真空干燥，得到黑色粉末；

步骤4、取黑色粉末10mg，分散于100mL去离子水中，于离心机上8000r/min～30000r/min离心；

步骤5、取离心后的上层清液于渗析袋（截留分子量为5000）中用去离子水渗析，得到石墨烯量子点分散液。

将上述制得的石墨烯量子点分散液在透射电镜下进行观察，其透射电镜图如图3所示。从该图中可以看出，石墨烯量子点的粒径小，在5nm以下，而且分散均匀。

图4是该分散液中的石墨烯量子点的电子衍射图。从该图中可以看出，该量子点呈连续的多晶衍射环，且图中（002）布拉格衍射环较弱且扩散，而（100）与（200）布拉格衍射环较为明显，并且该多晶衍射环比较细小，表明该反应产物为石墨烯量子点，与图3所示的扫描电镜的结论一致。

图5是该分散液中的石墨烯量子点的荧光光谱图。从该图中可以看出，在激发波长为365nm时，该石墨烯量子点的发射波长是420nm。即，该石墨烯量子点具有强的荧光性质，因此在生物荧光标记、生物细胞成像、电化学传感器、纳米电极等方面具有良好的应用。

实施例2：

本实施例中，石墨烯量子点分散液的制备步骤如下：

步骤1、将反应体系抽真空，然后充入氧气，将镁带剪为约8cm长的小段，卷绕成圆圈，用火柴点燃后置于反应体系中；同时，在反应体系中通入二氧化碳气体，使镁带燃烧产生的热量为该金属镁与二氧化碳的反应提供高温条件，使该金属与二氧化碳反应生成单质碳与二氧化镁，并且单质碳沉积在二氧化镁表面；

步骤2、反应结束后，将步骤1中的反应产物用0.37%～5%的稀盐酸酸洗，过滤，并用去离子水洗涤3～6次，用酒精洗涤1～3次，将得到的滤饼真空干燥，得到黑色粉末；

步骤3、取黑色粉末10mg，分散于100mL去离子水中，于离心机上8000r/min～30000r/min离心；

步骤4、取离心后的上层清液于渗析袋（截留分子量为5000）中用去离子水渗析，得到石墨烯量子点分散液。

将上述制得的石墨烯量子点分散液在透射电镜下进行观察，其扫描电镜图类似图3所示，该石墨烯量子点的粒径小，在5nm以下，而且分散均匀。

该分散液中的石墨烯量子点的电子衍射图类似图4所示，该量子点呈连续的多晶衍射环，且图中（002）布拉格衍射环较弱且扩散，而（100）与（200）布拉格衍射环较为明显，并且该多晶衍射环比较细小，表明该反应产物为石墨烯量子点。

该分散液中的石墨烯量子点的荧光光谱图类似图5所示。即，该石墨烯量子点具有强的荧光性质，因此在生物荧光标记、生物细胞成像等方面具有良好的应用。

实施例3：

本实施例中，石墨烯量子点分散液的制备方法基本与实施例1相同，所不同的是采用直径为1mm的金属铝丝代替其中的镁带。

本实施例中制得的石墨烯量子点分散液在透射电镜下进行观察，石墨烯量子点的粒径小，在5nm以下，而且分散均匀。其中的石墨烯量子点的电子衍射图显示该该量子点呈连续的多晶衍射环，且图中（002）布拉格衍射环较弱且扩散，而（100）与（200）布拉格衍射环较为明显，并且该多晶衍射环比较细小，表明该反应产物为石墨烯量子点。该分散液中的石墨烯量子点的荧光光谱图显示，在激发波长为365nm时，该石墨烯量子点的发射波长是420nm。即，该石墨烯量子点具有强的荧光性质，因此在生物荧光标记、生物细胞成像、电化学传感器、纳米电极等方面具有良好的应用。

实施例4：

本实施例中，石墨烯量子点分散液的制备方法基本与实施例1相同，所不同的是采用金属钙颗粒代替其中的镁带。

本实施例中制得的石墨烯量子点分散液在透射电镜下进行观察，石墨烯量子点的粒径小，在5nm以下，而且分散均匀。其中的石墨烯量子点的电子衍射图显示该该量子点呈连续的多晶衍射环，且图中（002）布拉格衍射环较弱且扩散，而（100）与（200）布拉格衍射环较为明显，并且该多晶衍射环比较细小，表明该反应产物为石墨烯量子点。该分散液中的石墨烯量子点的荧光光谱图显示，在激发波长为365nm时，该石墨烯量子点的发射波长是420nm。即，该石墨烯量子点具有强的荧光性质，因此在生物荧光标记、生物细胞成像、电化学传感器、纳米电极等方面具有良好的应用。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种石墨烯量子点分散液的制备方法，其特征是：反应体系中包括金属单质与二氧化碳气体；首先，使金属材料在空气或者纯氧气环境中燃烧，燃烧过程中产生的热量为该金属与二氧化碳反应提供高温条件，使该金属与二氧化碳发生反应生成单质碳与金属氧化物，并且单质碳沉积在该金属氧化物表面；然后，采用酸洗液对反应产物进行酸洗，使该金属氧化物溶解在溶液中；最后，进行离心、透析处理，得到石墨烯量子点分散液。

2.如权利要求1所述的石墨烯量子点分散液的制备方法，其特征是：所述的二氧化碳气体由干冰升华得到，具体步骤如下：

步骤1：将金属材料置于块状干冰表面，在空气或者纯氧气环境中燃烧，燃烧过程中产生的热量为该金属与二氧化碳反应提供高温条件，使该金属与二氧化碳发生反应，并且反应产物单质碳沉积在该金属氧化物表面；

步骤2：采用酸洗液对步骤1的反应产物进行酸洗，使该金属氧化物溶解在溶液中；最后进行离心、透析处理，得到石墨烯量子点分散液。

3.如权利要求1或2所述的石墨烯量子点分散液的制备方法，其特征是：所述的金属包括镁、铝、钾、钙、钠。

4.如权利要求1或2所述的石墨烯量子点分散液的制备方法，其特征是：所述的金属材料是块状、条状、丝状或者粉末状。

5.如权利要求1或2所述的石墨烯量子点分散液的制备方法，其特征是：所述的酸洗液是包括盐酸、硝酸、磷酸、硫酸的溶液。

6.如权利要求1或2所述的石墨烯量子点分散液的制备方法，其特征是：所述的透析处理过程为：将离心后的上层清液置于截留分子量为3500～14000Da的透析袋中进行透析，其中，透析液是去离子水或者酒精。

7.如权利要求2所述的石墨烯量子点分散液的制备方法，其特征是：所述的步骤1中，干冰表面设置用于放置金属材料的凹槽。

8.如权利要求7所述的石墨烯量子点分散液的制备方法，其特征是：所述的金属材料在该凹槽内燃烧时，使用另一块干冰遮盖住该凹槽口的一部分。

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