CN107010620A - 一种适用于批量化制备石墨烯量子点的方法 - Google Patents

一种适用于批量化制备石墨烯量子点的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于批量化制备石墨烯量子点的方法，其特征在于：以石墨粉为原料，通过液氮浸渍超低温预处理和超声化学剥离，快速获得大批量未被氧化的石墨烯量子点。本发明通过引入液氮浸渍超低温预处理技术，结合常规的超声处理，实现了石墨烯量子点的大批量制备；本方法可有效避免石墨烯量子点被氧化，最大程度上保证了石墨烯量子点的导电性等活性；且本发明的方法能够实现大批量、高浓度石墨烯量子点的制备，工艺简单，操作方便，制备成本低。

Description

一种适用于批量化制备石墨烯量子点的方法
技术领域
本发明涉及纳米材料制备领域，具体地说是一种制备石墨烯量子点的方法。
背景技术
石墨烯(Graphene)是2004年英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫成功从石墨中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维材料。作为石墨烯家族的最新一员，石墨烯量子点(GQDs)除了具有石墨烯的优异性能，还因量子限域效应和边界效应而体现出一系列新的特性，因此吸引了化学、物理、材料和生物等各领域科学家的广泛关注。石墨烯量子点作为一种特殊的零维碳材料，在生物、医学、材料、新型半导体器件等领域具有重要潜在应用。但是如何获取大批量厚度可控(厚度0.5～2nm)和均匀尺寸的石墨烯量子点至今仍是个难题。
目前，石墨烯量子点制备方法主要分为自下而上和自上而下两种工艺。自上而下的石墨烯量子点合成方式有电子束辅助平板印刷术、超声化学法、水热法、富勒烯开笼和碳纳米管化学分解或电子束蚀刻等技术；自下而上的石墨烯量子点制备方法主要通过水热或溶剂热反应实现。这些方法产率低，所得量子点厚度较厚，无法体现单层或少层石墨烯的优势，量子点形状尺寸不可控、边缘不光滑，尤其是这些方法的制备成本昂贵，所需反应时间通常很长，需要几十小时甚至更长，效率很低。而且现有方法所制备的石墨烯量子点很大一部分是被氧化的状态，对石墨烯量子点的活性造成了很大程度上的损害。这些工艺方法目前现存的缺点，严重滞后了石墨烯量子点的实际应用。
发明内容
本发明是为了克服上述现有技术存在的不足之处，提供了一种适用于批量化制备石墨烯量子点的方法，所要达到的技术目的是实现石墨烯量子点的快速、大批量、高产率制备。
本发明为实现目的，采用如下技术方案：
本发明适用于批量化制备石墨烯量子点的方法，其特点在于：以石墨粉为原料，通过液氮浸渍超低温预处理和超声化学剥离，快速获得大批量未被氧化的石墨烯量子点。所述石墨烯量子点厚度可控且均匀化程度高，所获得石墨烯量子点的厚度为0.5～2nm，二维尺寸为0.5～2nm。具体包括如下步骤：
(1)、液氮浸渍超低温预处理
将100～1000mg的高纯石墨粉放入体积为50mL的离心管中，并在离心管中注40mL液氮，石墨粉完全浸泡在液氮中；将离心管敞口放置于盛有液氮的液氮保温桶中浸泡保温10～120分钟；
(2)、超声化学剥离
取出所述离心管，待液氮完全气化后立即将石墨粉分散于由水和非水溶剂构成的混合溶剂中，超声处理10～120分钟；然后对产物进行离心处理，取上层清液，即获得石墨烯量子点。
优选的，步骤(2)中超声处理的强度为100～150W。
优选的，步骤(2)中所述的非水溶剂为异丙醇、无水乙醇、丙酮、N-甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺或乙腈。
优选的，步骤(2)中所述混合溶剂的体积为100～1000mL，其中水与非水溶剂的体积比为1～5：1。
优选的，步骤(2)中离心处理的转速为1500～3000转/分钟，时间为20～40min。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明通过引入液氮浸渍超低温预处理技术，结合常规的超声处理，实现了石墨烯量子点的快速、批量化制备，且本发明方法可有效避免石墨烯量子点被氧化，所获得的石墨烯量子点可保持良好的导电性等活性；
2、本发明的方法能够实现大批量、高浓度石墨烯量子点的制备，攻克了制约石墨烯量子点实际应用过程中的材料制备难题，为工业化生产和应用石墨烯量子点提供了一种可行的工艺技术路线。
3、本发明制备的石墨烯量子点，厚度可控制在2nm以下；通过进一步调整液氮浸渍超低温预处理和超声处理时间，可以实现控制石墨烯量子点厚度为0.5～1nm，即获取单层石墨烯量子点，且均匀化程度高，二维尺寸只有0.5～2nm；
4、本发明所采用的液氮浸渍超低温预处理-超声化学剥离两步法，技术工艺简单，操作方便，原材料和设备种类需求少，成本低廉；
5、本发明所采用的液氮浸渍超低温预处理-超声化学剥离两步法，可以大规模快速制备石墨烯量子点，并且石墨烯量子点的产率高，可以利用现有设备直接投入生产，具有良好的工业化应用前景。
附图说明
图1是实施例1制备的石墨烯量子点的AFM图。
图2是实施例2制备的石墨烯量子点的AFM图。
图3是实施例3制备的石墨烯量子点的AFM图。
图4是实施例4制备的石墨烯量子点的AFM图。
图5是实施例5制备的石墨烯量子点的AFM图。
图6是实施例6制备的石墨烯量子点的AFM图。
图7是实施例6制备的石墨烯量子点的实物图(离心处理后)。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图和实施例对本发明进行说明。
实施例1
本实施例按如下步骤制备石墨烯量子点：
(1)、液氮浸渍超低温预处理
称取100mg的高纯石墨粉放入体积为50mL的离心管中，并在离心管中注40mL液氮，石墨粉完全浸泡在液氮中；将离心管敞口放置于盛有液氮的液氮保温桶中浸泡保温10分钟；
(2)、超声化学剥离
取出离心管，待液氮完全气化后立即将石墨粉分散于100mL由水和异丙醇按体积比1：1构成的混合溶剂中，135W的强度下超声处理10分钟；然后对产物在2000转/分钟下离心处理30min，取上层清液，即获得石墨烯量子点。
如图1所示，本实施例所制备的石墨烯量子点分布均匀，厚度平均值为2.0nm。
实施例2
本实施例按如下步骤制备石墨烯量子点：
(1)、液氮浸渍超低温预处理
称取100mg的高纯石墨粉放入体积为50mL的离心管中，并在离心管中注40mL液氮，石墨粉完全浸泡在液氮中；将离心管敞口放置于盛有液氮的液氮保温桶中浸泡保温10分钟；
(2)、超声化学剥离
取出离心管，待液氮完全气化后立即将石墨粉分散于100mL由水和异丙醇按体积比3：2构成的混合溶剂中，135W的强度下超声处理60分钟；然后对产物在2000转/分钟下离心处理30min，取上层清液，即获得石墨烯量子点。
如图2所示，本实施例所制备的石墨烯量子点分布均匀，厚度平均值为1.2nm。
实施例3
本实施例按如下步骤制备石墨烯量子点：
(1)、液氮浸渍超低温预处理
称取300mg的高纯石墨粉放入体积为50mL的离心管中，并在离心管中注40mL液氮，石墨粉完全浸泡在液氮中；将离心管敞口放置于盛有液氮的液氮保温桶中浸泡保温60分钟；
(2)、超声化学剥离
取出离心管，待液氮完全气化后立即将石墨粉分散于300mL由水和异丙醇按体积比2：1构成的混合溶剂中，135W的强度下超声处理60分钟；然后对产物在2000转/分钟下离心处理30min，取上层清液，即获得石墨烯量子点。
如图3所示，本实施例所制备的石墨烯量子点分布均匀，厚度平均值为1.0nm。
实施例4
本实施例按如下步骤制备石墨烯量子点：
(1)、液氮浸渍超低温预处理
称取400mg的高纯石墨粉放入体积为50mL的离心管中，并在离心管中注40mL液氮，石墨粉完全浸泡在液氮中；将离心管敞口放置于盛有液氮的液氮保温桶中浸泡保温60分钟；
(2)、超声化学剥离
取出离心管，待液氮完全气化后立即将石墨粉分散于400mL由水和异丙醇按体积比7：3构成的混合溶剂中，135W的强度下超声处理120分钟；然后对产物在2000转/分钟下离心处理30min，取上层清液，即获得石墨烯量子点。
如图4所示，本实施例所制备的石墨烯量子点分布均匀，厚度平均值为0.9nm，可认为是单层石墨烯量子点。
实施例5
本实施例按如下步骤制备石墨烯量子点：
(1)、液氮浸渍超低温预处理
称取500mg的高纯石墨粉放入体积为50mL的离心管中，并在离心管中注40mL液氮，石墨粉完全浸泡在液氮中；将离心管敞口放置于盛有液氮的液氮保温桶中浸泡保温120分钟；
(2)、超声化学剥离
取出离心管，待液氮完全气化后立即将石墨粉分散于500mL由水和异丙醇按体积比5：2构成的混合溶剂中，135W的强度下超声处理60分钟；然后对产物在2000转/分钟下离心处理30min，取上层清液，即获得石墨烯量子点。
如图5所示，本实施例所制备的石墨烯量子点分布均匀，厚度平均值为0.7nm，可认为是单层石墨烯量子点。
实施例6
本实施例按如下步骤制备石墨烯量子点：
(1)、液氮浸渍超低温预处理
称取1000mg的高纯石墨粉放入体积为50mL的离心管中，并在离心管中注40mL液氮，石墨粉完全浸泡在液氮中；将离心管敞口放置于盛有液氮的液氮保温桶中浸泡保温120分钟；
(2)、超声化学剥离
取出离心管，待液氮完全气化后立即将石墨粉分散于1000mL由水和异丙醇按体积比3：1构成的混合溶剂中，135W的强度下超声处理120分钟；然后对产物在2000转/分钟下离心处理30min，取上层清液，即获得石墨烯量子点。
如图6所示，本实施例所制备的石墨烯量子点分布均匀，厚度平均值为0.5nm，可认为是单层石墨烯量子点。
如图7所示为本实施例所制备石墨烯量子点的实物图(离心处理后)，从溶液的颜色可以看出，离心处理后，溶剂中石墨烯量子点仍保持有较高的浓度。
以上实施例，均是本发明较为典型的实施例，并非对本发明的任何限制，例如高纯石墨粉用量、液氮浸渍超低温处理保温时间、超声化学剥离时间都可以根据实际应用需求进一步调整，且混合溶剂体系、体积比可根据所制备石墨烯量子点的具体应用领域进行选择和优化。因此，根据本发明总体思路，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种适用于批量化制备石墨烯量子点的方法，其特征在于：以石墨粉为原料，通过液氮浸渍超低温预处理和超声化学剥离，快速获得大批量未被氧化的石墨烯量子点。
2.根据权利要求1所述的适用于批量化制备石墨烯量子点的方法，其特征在于：所述石墨烯量子点厚度可控且均匀化程度高，所获得石墨烯量子点的厚度为0.5～2nm，二维尺寸为0.5～2nm。
3.根据权利要求1或2所述的适用于批量化制备石墨烯量子点的方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)、液氮浸渍超低温预处理
将100～1000mg高纯石墨粉放入体积为50mL的离心管中，并在离心管中注40mL液氮，石墨粉完全浸泡在液氮中；将离心管敞口放置于盛有液氮的液氮保温桶中浸泡保温10～120分钟；
(2)、超声化学剥离
取出所述离心管，待液氮完全气化后立即将石墨粉分散于由水和非水溶剂构成的混合溶剂中，超声处理10～120分钟；然后对产物进行离心处理，取上层清液，即获得石墨烯量子点。
4.根据权利要求3所述的适用于批量化制备石墨烯量子点的方法，其特征在于：
步骤(2)中超声处理的强度为100～150W。
5.根据权利要求3所述的适用于批量化制备石墨烯量子点的方法，其特征在于：
步骤(2)中所述的非水溶剂为异丙醇、无水乙醇、丙酮、N-甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺或乙腈。
6.根据权利要求3或5所述的适用于批量化制备石墨烯量子点的方法，其特征在于：
步骤(2)中所述混合溶剂的体积为100～1000mL，其中水与非水溶剂的体积比为1～5：1。
7.根据权利要求3所述的适用于批量化制备石墨烯量子点的方法，其特征在于：
步骤(2)中离心处理的转速为1500～3000转/分钟，时间为20～40min。
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