CN103663436A - 一种制备红外荧光氮掺杂石墨烯的方法 - Google Patents
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Abstract
制备红外荧光的氮掺杂石墨烯的方法，包括如下步骤：（1）以氧化石墨烯为原材料，在700±30℃下保持流动的氩气流下退火1－3小时，对氧化石墨烯进行还原处理；（2）将步骤（1）中还原后的氧化石墨烯和二氟化氙反应，还原后的氧化石墨烯和二氟化氙的质量比在1∶5至1∶20之间，以此获得氟化石墨烯；（3）将氟化石墨烯放在管式炉中，通以氨气并加热至400－900℃，尤其是500±30℃下恒温反应2－5小时，自然冷却至室温，即得到氮掺杂的石墨烯。本发明利用缺陷较多的氟化还原氧化石墨烯作为原材料有利于高含量的氮掺杂。同时，所制得的氮掺杂石墨烯具有红外荧光，且荧光峰位置可调，调节范围从665纳米至847纳米。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有红外荧光性质的氮掺杂石墨烯及其制备方法。
背景技术
自从氮掺杂石墨烯被发现以来，由于其具有独特的电子、光电子特性，氮掺杂石墨烯已被广泛用于生物成像、发光及光电等许多领域。特别是蓝色至红外的荧光材料在光发射、生物荧光标定、有机发光二极管及固态光电器件方面存在巨大的潜在应用。然而目前报道的石墨烯大多表现为紫外或者蓝色的荧光。[1]
本发明方法制备的还原氧化石墨烯量子点具有明显的红外荧光特征，并且荧光发光峰的位置可以通过实验条件进行有效的调节，是目前传统方法制备绿色或者蓝色的荧光石墨烯量子点的有力补充，将能扩大氮掺杂石墨烯在光电材料方面的应用。
参考文献：
1.Li，M.，Tang，N.J.，Ren，W.C.，Cheng，H.M.，Wu，W.B.，Zhong，W.&Du，Y.W.Quenching of Fluorescence of Reduced Graphene Oxide by Nitrogen-Doping.Appl.Phys.Lett.100，233112(2012).
发明内容
本发明的目的在于，提出一种新的制备红外荧光氮掺杂石墨烯的方法。本发明通过使用氟化的还原氧化石墨烯作为原材料制备氮掺杂石墨烯。与传统方法相比，本发明工艺制备的氮掺杂石墨烯具有高氮掺杂量，通过高的氮掺杂量可以引入宽带隙使其具有红外荧光的性质。并且，此制备工艺简单、过程容易控制，适宜大规模生产。
本发明的技术方案是：制备红外荧光的氮掺杂石墨烯的方法，其特征是包括如下步骤：
（1）以氧化石墨烯为原材料，在700±30℃下保持流动的氩气流下退火1－3小时，对氧化石墨烯进行还原处理；如1－10升的管式炉采用20sccm流量；
（2）将步骤（1）中还原后的氧化石墨烯和二氟化氙反应，还原后的氧化石墨烯和二氟化氙的质量比在1:5至1:20之间，以此获得氟化石墨烯；将还原后的氧化石墨烯和二氟化氙置于聚四氟乙烯内杯且密闭；再把聚四氟乙烯内杯装进不锈钢外罐，密封不锈钢外罐，把锈钢外罐放进烘干箱，在200±10℃下恒温反应24－48小时，自然冷却至室温；
（3）利用步骤（2）中获得的氟化石墨烯为原材料，将氟化石墨烯放在管式炉中，通以氨气并加热至400－900℃，尤其是500±30℃下恒温反应2－5小时，自然冷却至室温，即得 到氮掺杂的石墨烯NG-500。如1－10升的管式炉采用氨气流量保持20sccm。
用本发明制备的产品通过以下手段进行结构和性能表征：利用日本JEOL公司生产的JEM-200CX透射电子显微镜(TEM)直接观察产品的形状和尺寸；采用荧光光谱仪，分析样品的荧光情况。
本发明的有益效果是：现有的氮掺杂石墨烯制备方法中通常原材料的缺陷较少，本发明利用氟化还原氧化石墨烯作为原材料，其缺陷较多，有利于高含量的氮掺杂。同时，所制得的氮掺杂石墨烯具有红外荧光，且荧光的峰位置可以调节，调节范围从665纳米至847纳米。
附图说明
图1是实施例1制备的还原氧化石墨烯的典型的透射电镜观测结果，从图中可见产品具有相对平整的二维的透明膜状结构。
图2是实施例1制备的氮掺杂石墨烯NG-500的典型的透射电镜观测结果，从图中可见产品具有相对平整的二维的透明膜状结构，但是其褶皱变多。
图3是实施例7制备的氮掺杂石墨烯的荧光光谱图，从图中可以看出，氮掺杂石墨烯具有红外荧光，且荧光位置可以调节，调节范围从665纳米至847纳米。
其中，NG-400，NG-500，NG-600，NG-700，NG-800，NG-900为所得样品的命名，数字表示退火温度。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明，实施例中所用试剂为化学纯。
实施例1：制备氮掺杂石墨烯的方法，包括如下步骤：
（1）以50mg氧化石墨烯为原材料，在700℃下保持20sccm流量的氩气下退火1小时，对氧化石墨烯进行还原处理；
（2）以二氟化氙为氟化剂，将30mg还原的氧化石墨烯和300mg的二氟化氙装进聚四氟乙烯内杯，聚四氟乙烯内杯密闭；再把聚四氟乙烯内杯装进不锈钢外罐，用水管钳把不锈钢外罐的盖子拧紧，把不锈钢外罐放进烘干箱，在200℃下恒温反应36小时，自然冷却至室温。
（1）、（2）氧化石墨烯为原材料，在退火温度700℃温度左右和退火1小时左右均无显著区别；氟化时200℃左右和反应时间24－48小时的影响更小。
（3）将30mg氟化的还原氧化石墨烯放在管式炉中，通以氨气并加热至500℃下恒温反应3小时，自然冷却至室温，即得到氮掺杂的石墨烯NG-500。
实施例2：实验过程和条件与实施例1一样，但还原温度改为400℃，即得到氮掺杂的石墨烯NG-400。
实施例3：实验过程和条件与实施例1一样，但还原温度改为600℃，即得到氮掺杂的石墨烯NG-600。
实施例4：实验过程和条件与实施例1一样，但还原温度改为700℃，即得到氮掺杂的石墨烯NG-700。
实施例5：实验过程和条件与实施例1一样，但还原温度改为800℃，即得到氮掺杂的石墨烯NG-800。
实施例6：实验过程和条件与实施例1一样，但还原温度改为900℃，即得到氮掺杂的石墨烯NG-900。
实施例7：把实施例1-6制备所得氮掺杂石墨烯各取1.0mg溶于20ml乙醇，然后在200W条件下超声处理1小时，对所得溶液在室温下进行荧光光谱测试，所得荧光光谱图见图。结果发现具有红外荧光，且荧光的峰位置可以调节，调节范围从665纳米至847纳米。
图1是实施例1制备的还原氧化石墨烯的典型的透射电镜观测结果，从图中可见产品具有相对平整的二维的透明膜状结构。
图2是实施例1制备的氮掺杂石墨烯NG-500的典型的透射电镜观测结果，从图中可见产品具有相对平整的二维的透明膜状结构，但是其褶皱变多。
图3是实施例7制备的氮掺杂石墨烯的荧光光谱图，从图中可以看出，氮掺杂石墨烯具有红外荧光，且荧光的峰位置可以调节，调节范围从665纳米至847纳米。
虽然本发明已有技术方案和较佳实施例陈述如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的变化、更替与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (4)
1.制备红外荧光的氮掺杂石墨烯的方法，其特征是包括如下步骤：
（1）以氧化石墨烯为原材料，在700±30℃下保持流动的氩气流下退火1－3小时，对氧化石墨烯进行还原处理；
（2）将步骤（1）中还原后的氧化石墨烯和二氟化氙反应，还原后的氧化石墨烯和二氟化氙的质量比在1:5至1:20之间，以此获得氟化石墨烯；将还原后的氧化石墨烯和二氟化氙置于聚四氟乙烯内杯且密闭；再把聚四氟乙烯内杯装进不锈钢外罐，密封不锈钢外罐，把锈钢外罐放进烘干箱，在200±10℃下恒温反应24－48小时，自然冷却至室温；
（3）利用步骤（2）中获得的氟化石墨烯为原材料，将氟化石墨烯放在管式炉中，通以氨气并加热至400－900℃，尤其是500±30℃下恒温反应2－5小时，自然冷却至室温，即得到氮掺杂的石墨烯。
2.根据权利要求1所述制备红外荧光氮掺杂石墨烯的方法，其特征是所述步骤（1）中1－10升的管式炉采用氩气流20sccm流量。
3.根据权利要求1所述制备红外荧光氮掺杂石墨烯的方法，其特征是（3）中1－10升的管式炉采用氨气流量保持20sccm；在700℃下保持20sccm流量的氩气下退火1小时，对氧化石墨烯进行还原处理获得还原氧化石墨烯。
4.根据权利要求1所述制备红外荧光氮掺杂石墨烯的方法，其特征是步骤步骤（2）以二氟化氙为氟化剂，把30mg还原的氧化石墨烯和300mg的二氟化氙装进聚四氟乙烯内杯，聚四氟乙烯内杯密闭；再把聚四氟乙烯内杯装进不锈钢外罐，用水管钳把不锈钢外罐的盖子拧紧，把不锈钢外罐放进烘干箱，在200℃下恒温反应36小时，自然冷却至室温；步骤（3）中以氨气为氮源，把30mg氟化石墨烯放在管式炉中，通以氨气并加热至500℃下恒温反应3小时，自然冷却至室温。氨气流量保持20sccm。
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