CN105565310A - 一种具有优异光学性能的氟掺杂石墨烯量子点的制备方法 - Google Patents

一种具有优异光学性能的氟掺杂石墨烯量子点的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有优异光学性能的氟掺杂石墨烯量子点的制备方法<b>。</b>以价廉且已经工业化生产的芘作前驱物，在低温条件下，将芘的表面进行硝化处理，然后在高温高压下进行水热反应脱去芘表面的硝基进而裁剪芘的六角环状结构，从而制备出具有优异水溶性，结构稳定，无毒，光致发光特性优异，尺寸小的石墨烯量子点，石墨烯量子点在150℃-200℃的温度下与XeF2进行气相反应合成含氟量在34%以上，晶粒平均粒径为3-4nm，具有优异光学性能的氟掺杂石墨烯量子点；该氟掺杂石墨烯量子点在365nm紫外光照射下发出明亮的绿色荧光。本发明制备方法简单，对设备要求，成品率高，不会引进其他的杂质。

Description

一种具有优异光学性能的氟掺杂石墨烯量子点的制备方法
技术领域
本发明涉及一种具有优异水溶性结构，稳定性，无毒，尺寸小的石墨烯量子点的制备方法，在这种石墨烯量子点的基础上制备出具有一种具有优异光学性能的氟掺杂石墨烯量子点。
背景技术
最近几年，具有荧光特性的纳米材料已引起国内外许多研究者的关注，其中零维的石墨烯量子点因其厚度为0.5-1.5nm，晶径为10nm之下，其表面含有羟基，羧基，羰基等基团使其具有良好的水溶性的特性，逐渐进入科学家们的视野，据权威预测，功能化的石墨烯量子点将代表新一代量子点在多种应用领域扮演着越来越重要甚至关键角色，其中由于石墨烯量子点不仅表现出像石墨烯一样的优异性能的同时还具备良好的生物相容性，低毒性，低湮灭性，稳定的化学特性，在生物成像领域展现出独特的优势，然而目前制备出的荧光石墨烯量子点在晶体质量和光学性质上还无法媲美传统量子点，其原因：(1)在结构上几乎都是多晶，高度缺陷的，因而难以表现出单晶半导体量子点所特有的量子效应；(2)在可见光区域吸收弱，且荧光量子点产率低；(3)量子点尺寸难以把握，因而荧光光谱很宽；(4)表现出高度的PH依赖性；(5)为了充分展示石墨烯量子点的独特优势，打开其在各方面的应用，其中一个可行的方法就是进行杂质原子掺杂。
因氮原子具有五个价电子，和碳原子有着相当的原子尺寸大小已经被广泛应用于碳材料的化学掺杂，如氮掺杂碳纳米管(N-CNT)等，但是氟掺杂石墨烯量子点却鲜有人研究，而目前制备氟掺杂石墨烯量子点主要方法有高温高压水热法，电化学等方法，但是许多方法都无法避免设备昂贵，操作麻烦耗时，工艺繁琐，成品率低，杂质较多等因素影响，从而限制了氟掺杂石墨烯量子点的广泛应用。因此，如何简单，方便，高效的制备出优异光学性能的氟掺杂石墨烯量子点已成为掺杂石墨烯量子点这个领域的重大挑战。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的缺点，提供一种具有优异光学性能的氟掺杂石墨烯量子点的制备方法。尤为要强调的是，本发明合成过程步骤简单，产率高，反应后，成品率高，杂质少。
具体步骤为:
(1)将1g前驱物芘与80-100mL发烟硝酸混合后，在80-100℃温度下回流搅拌12小时，将芘晶粒表面进行硝基功能化处理，自然冷却。
(2)将步骤(1)所得物采用0.22μm微孔膜过滤除去废液，并用去离子水清洗过滤物3-5次。
(3)将步骤(2)所得物加入0.2-0.6gNaOH，置于300W超声分散1小时，然后立即放入高温反应釜中，180-200℃温度下水热反应10-12小时，自然冷却。
(4)将步骤(3)所得物用0.22μm微孔膜去除固体杂质后用3500Da透析袋透析48小时去除反应物中多余的离子，在70℃下蒸发烘干，得到表面富含基团并有优异光学性能的石墨烯量子点，。
(5)将0.05-0.5g步骤(4)所得石墨烯量子点，在Ar气氛下，与0.1-1gXeF2充分混合均匀，转移至聚四氟乙烯罐中，在高温反应釜中维持150-200℃进行气相反应24小时，待自然冷却后，在70℃下烘干去除多余未反应的XeF2，得到具有优异光学性能的氟掺杂石墨烯量子点，晶粒平均粒径为3-4nm。
本发明较于现有技术相比较有以下优点:
(1)本发明获得氟掺杂石墨烯量子点在生产工艺上较为简单可控，成品率高，并且在制备过程中，避免了引入其它杂质离子，反应产物纯度高，
(2)本发明制备的氟掺杂石墨烯量子点含氟量在34％以上，能稳定分散于水中，结构稳定，光学性能优异，晶粒平均粒径为3-4nm，且表面富含基团。
附图说明
图1为本发明实施例制备的氟掺杂石墨烯量子点制备流程图。
图2为本发明实施例制备的氟掺杂石墨烯量子点的透射电镜(TEM)照片。
图3为本发明实施例制备的氟掺杂石墨烯量子点的高倍透射电镜(HRTEM)照片。
图4为本发明实施例制备的氟掺杂石墨烯量子点的X射线光电子能谱分析(XPS)能谱图。
图5为本发明实施例制备的氟掺杂石墨烯量子点与石墨烯量子点荧光光谱对照图。
图6实施例制备的氟掺杂石墨烯量子点吸收谱。
图7为本发明实施例制备的氟掺杂石墨烯量子点在365nm紫外照射下发光图。
具体实施方式
实施例:
(1)将1g前驱物芘与80mL发烟硝酸混合后，在80℃温度下回流搅拌12小时，将芘晶粒表面进行硝基功能化处理，自然冷却。
(2)将步骤(1)所得物采用0.22μm微孔膜过滤除去废液，并用去离子水清洗过滤物3次。
(3)将步骤(2)所得物加入0.4gNaOH，置于300W超声分散1小时，然后立即放入高温反应釜中，180℃温度下水热反应12小时，自然冷却。
(4)将步骤(3)所得物用0.22μm微孔膜去除固体杂质后用3500Da透析袋透析48小时去除反应物中多余的离子，在70℃下蒸发烘干，得到表面富含基团并有优异光学性能的石墨烯量子点。
(5)将0.1g步骤(4)所得石墨烯量子点，在Ar气氛下，与0.5gXeF2充分混合均匀，转移至聚四氟乙烯罐中，在高温反应釜中维持180℃进行气相反应24小时，待自然冷却后，在70℃下烘干去除多余未反应的XeF2，得到具有优异光学性能的氟掺杂石墨烯量子点，晶粒平均粒径为3-4nm。
表1为所制备的氟掺杂石墨烯量子点的元素含量统计表。
表1：氟掺杂石墨烯量子点的元素含量
。

Claims (1)

1.一种氟掺杂石墨烯量子点的制备方法，其特征在于具体步骤为：
（1）将1g前驱物芘与80-100mL发烟硝酸混合后，在80-100℃温度下回流搅拌12小时，自然冷却；
（2）将步骤（1）所得物采用0.22μm微孔膜过滤除去废液，并用去离子水清洗过滤物3-5次；
（3）将步骤（2）所得物加入0.2-0.6gNaOH，置于300W超声分散1小时，然后放入高温反应釜中，180-200℃温度下水热反应10-12小时，自然冷却；
（4）将步骤（3）所得物用0.22μm微孔膜去除固体杂质后用3500Da透析袋透析48小时去除反应物中多余的离子，在70℃下蒸发烘干，得到石墨烯量子点；
（5）将0.05-0.5g步骤（4）所得石墨烯量子点，在Ar气氛下，与0.1-1gXeF2混合均匀，转移至聚四氟乙烯罐中，在高温反应釜中维持150-200℃进行气相反应24小时，待自然冷却后，在70℃下烘干去除多余未反应的XeF2，得到氟掺杂石墨烯量子点，晶粒平均粒径为3-4nm。
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