CN107502348B - 一种由糖类前驱体低温制备石墨烯量子点的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种由糖类前驱体低温制备石墨烯量子点的方法，即一种制备水溶性、含杂原子、荧光性质可调的石墨烯量子点的方法。本发明方法以糖类为原料，在碱溶液中和较低的温度条件下进行，具体步骤为：将糖类前驱体加入碱溶液中，在加热条件下反应一定时间，通过透析、过滤处理，得到石墨烯量子点水溶液；干燥后，得到石墨烯量子点本体。本发明原料价格低廉，反应条件温和，无需高压反应，且反应液能重复使用，不会对环境造成污染。所得到的石墨烯量子点多数为单原子层结构，具有可变的荧光性质。本发明制备的石墨烯量子点可应用于生物成像、染色、光催化、光电器件等领域。此外，所制备的石墨烯量子也能与其它材料复合，制备多功能复合材料。

Description

一种由糖类前驱体低温制备石墨烯量子点的方法
技术领域
本发明属于材料技术领域，涉及一种由糖类前驱体低温制备石墨烯量子点的方法，具体为糖类前驱体在碱性溶液中低温反应一段时间，得到石墨烯量子点母液；将母液进行透析、过滤处理以除去杂质，得到石墨烯量子点水溶液；将所得溶液进行干燥处理，即得石墨烯量子点粉体。
背景技术
石墨烯自被发现以来，以其优异的综合性能，已引起人们的广泛关注。然而，完美的石墨烯是一种零带隙材料，故而难以发出荧光，这限制了石墨烯在生物、光催化、光电材料等领域中的应用。为了扩展石墨烯的应用领域，通过调节石墨烯的带隙使其发出可变荧光是一个重要的研究领域。理论研究表明，当石墨烯的尺寸小于100 nm时，发生量子限域现象，这使石墨烯材料能够发出特定波长的荧光。因而，石墨烯量子点（即片层尺寸小于100nm的石墨烯材料）得到了广泛关注。
与石墨烯的制备方法类似，石墨烯量子的制备方法主要分为自上而下法和自下而上法两类。自上而下法以各类碳材料为前驱体，通过强氧化、电子束刻蚀、水热、微波热等处理，将碳材料裁剪为石墨烯量子点。常用的碳材料包括石墨、石墨烯、炭黑、碳纳米管、氧化石墨烯、富勒烯以及碳纤维等。自下而上法以小分子为前驱体，通过水热、溶剂热、微波、化学气相沉积等物理化学处理，得到石墨烯量子点材料。石墨烯量子点的制备方法通常需要苛刻的反应条件，会对环境造成污染，且成本较高。为了实现石墨烯量子点的应用，发展出一种条件温和、无污染、低成本的制备方法至关重要。
发明内容
本发明的目的在于克服石墨烯量子点的制备难点，提供一种反应条件温和、无环境污染、低成本的由糖类前驱体制备石墨烯量子点的方法。本发明方法制备的石墨烯量子点能很好地分散在水中，具有可变的荧光性质，并且能在石墨烯片层上引入杂原子。本发明制备的石墨烯量子点能应用于生物、光催化、光电材料等领域。本发明方法具有操作简单、成本低、无污染等优势，适合大规模生产和工业化应用。
本发明提出的一种由糖类前驱体制备石墨烯量子点的方法，具体步骤如下：
（1）将糖类单体加入到碱性水溶液中，混合均匀后，在50-100℃加热条件下反应0.5-12h，即得到石墨烯量子点母液;
（2）将步骤（1）得到的石墨烯量子点母液进行透析或过滤处理，以除去杂质，即得到石墨烯量子点水溶液；
（3）将步骤（2）得到的石墨烯量子点水溶液进行喷雾干燥、冷冻干燥或超临界流体干燥中任一种，即得到石墨烯量子点粉体。
本发明中，步骤（1）所述糖类原料包括葡萄糖、果糖或乳糖中任一种。
本发明中，步骤（1）所述的碱包括氨水、氢氧化钠或氢氧化钾中任一种。
本发明中，步骤（1）所述的氨水为市售30%浓氨水或稀释0-10倍的不同浓度的氨水。氢氧化钠和氢氧化钾水溶液浓度为0.1-5 mol/L。
本发明中，步骤（1）所述的糖类浓度为0.1-5mol/L。
本发明的有益效果在于：针对现有技术存在的不足，本发明人经过长期的实践与研究，提出了本发明的技术方案，该方案可实现石墨烯量子点的低成本、无污染、大规模制备。在本发明的技术路线中，无需高压、高温等苛刻的反应条件，且反应液能回收利用，解决了石墨烯量子点规模化制备的关键问题，为实现碳材料在催化、生物、光电等领域的应用提供了一种有效途径。
附图说明
图1为所得石墨烯量子点的透射电镜图。
图2为所得石墨烯量子点的紫外图片。
具体实施方式
以下通过具体实例说明本发明的技术方案。应该理解，本发明提到的一个或多个步骤不排斥在所述组合步骤前后还存在其它方法和步骤，或者这些明确提及的步骤之间还可以插入其它方法和步骤。还应理解，这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。除非另有说明，各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的目的，而非为限制每个方法的排列次序或限定本发明的实施范围，其相对关系的改变或调整，在无实质技术内容变更的条件下，当亦视为本发明可实施的范畴。
实施例1
（1）将15克葡萄糖加入150毫升市售30%浓氨水中，完全溶解后，在80℃加热条件下反应6小时，得到含氮原子的石墨烯量子点母液。
（2）将（1）中得到的石墨烯量子点母液用0.22微米的微孔滤膜过滤，下层液体加入截留分子量为3500的透析袋中，透析3天，得到石墨烯量子点水溶液。
（3）将（2）中得到的石墨烯量子点水溶液用液氮淬冷，在冷冻干燥机中冻干，得到石墨烯量子点粉体。
实施例2
（1）将15克葡萄糖加入150毫升1摩尔/升的氢氧化钠水溶液中，完全溶解后，在70℃加热条件下反应4小时，得到石墨烯量子点母液。
（2）将（1）中得到的石墨烯量子点母液用0.22微米的微孔滤膜过滤，下层液体加入截留分子量为3500的透析袋中，透析3天，得到石墨烯量子点水溶液。
（3）将（2）中得到的石墨烯量子点水溶液进行喷雾干燥处理，得到石墨烯量子点粉体。
实施例3
（1）将15克葡萄糖加入150毫升1摩尔/升的氢氧化钾水溶液中，完全溶解后，在70℃加热条件下反应4小时，得到石墨烯量子点母液。
（2）将（1）中得到的石墨烯量子点母液用0.22微米的微孔滤膜过滤，下层液体加入截留分子量为3500的透析袋中，透析3天，得到石墨烯量子点水溶液。
（3）将（2）中得到的石墨烯量子点进行喷雾干燥处理，得到石墨烯量子点粉体。
实施例4
（1）将15克果糖加入150毫升市售30%浓氨水中，完全溶解后，在80℃加热条件下反应6小时，得到含氮原子的石墨烯量子点母液。
（2）将（1）中得到的石墨烯量子点母液用0.22μm的微孔滤膜过滤，下层液体加入截留分子量为3500的透析袋中，透析3天，得到石墨烯量子点水溶液。
（3）将（2）中得到的石墨烯量子点进行超临界流体干燥处理，得到石墨烯量子点粉体。
实施例5
（1）将15克果糖加入150毫升1摩尔/升的氢氧化钠水溶液中，完全溶解后，在70℃加热条件下反应4小时，得到石墨烯量子点母液。
（2）将（1）中得到的石墨烯量子点母液用0.22微米的微孔滤膜过滤，下层液体加入截留分子量为3500的透析袋中，透析3天，得到石墨烯量子点水溶液。
（3）将（2）中得到的石墨烯量子点水溶液用液氮淬冷，在冷冻干燥机中冻干，得到石墨烯量子点粉体。
实施例6
（1）将15克果糖加入150毫升1摩尔/升的氢氧化钾水溶液中，完全溶解后，在100℃加热条件下反应1小时，得到石墨烯量子点母液。
（2）将（1）中得到的石墨烯量子点母液用0.22微米的微孔滤膜过滤，下层液体加入截留分子量为3500的透析袋中，透析3天，得到石墨烯量子点水溶液。
（3）将（2）中得到的石墨烯量子点水溶液进行喷雾干燥处理，得到石墨烯量子点粉体。
实施例7
（1）将15克乳糖加入150毫升市售30%浓氨水中，完全溶解后，在80℃加热条件下反应6小时，得到含氮原子的石墨烯量子点母液。
（2）将（1）中得到的石墨烯量子点母液用0.22微米的微孔滤膜过滤，下层液体加入截留分子量为3500的透析袋中，透析3天，得到石墨烯量子点水溶液。
（3）将（2）中得到的石墨烯量子点水溶液用液氮淬冷，在冷冻干燥机中冻干，得到石墨烯量子点粉体。
实施例8
（1）将15克乳糖加入150毫升1摩尔/升的氢氧化钠水溶液中，完全溶解后，在80℃加热条件下反应5小时，得到石墨烯量子点母液。
（2）将（1）中得到的石墨烯量子点母液用0.22微米的微孔滤膜过滤，下层液体加入截留分子量为3500的透析袋中，透析3天，得到石墨烯量子点水溶液。
（3）将（2）中得到的石墨烯量子点水溶液进行喷雾干燥处理，得到石墨烯量子点粉体。
实施例9
（1）将15克乳糖加入150毫升1摩尔/升的氢氧化钾水溶液中，完全溶解后，在90℃加热条件下反应2小时，得到石墨烯量子点母液。
（2）将（1）中得到的石墨烯量子点母液用0.22微米的微孔滤膜过滤，下层液体加入截留分子量为3500的透析袋中，透析3天，得到石墨烯量子点水溶液。
（3）将（2）中得到的石墨烯量子点水溶液用液氮淬冷，在冷冻干燥机中冻干，得到石墨烯量子点粉体。
实施例10
（1）将15克葡萄糖加入150毫升稀释10倍的市售30%浓氨水中，完全溶解后，在80℃加热条件下反应12小时，得到含氮原子的石墨烯量子点母液。
（2）将（1）中得到的石墨烯量子点母液用0.22微米的微孔滤膜过滤，下层液体加入截留分子量为3500的透析袋中，透析3天，得到石墨烯量子点水溶液。
（3）将（2）中得到的石墨烯量子点水溶液用液氮淬冷，在冷冻干燥机中冻干，得到石墨烯量子点粉体。
实施例11
（1）将15克葡萄糖糖加入150毫升0.11摩尔/升的氢氧化钠水溶液中，完全溶解后，在80℃加热条件下反应12小时，得到石墨烯量子点母液。
（2）将（1）中得到的石墨烯量子点母液用0.22微米的微孔滤膜过滤，下层液体加入截留分子量为3500的透析袋中，透析3天，得到石墨烯量子点水溶液。
（3）将（2）中得到的石墨烯量子点水溶液进行喷雾干燥处理，得到石墨烯量子点粉体。
实施例12
（1）将15克乳糖加入150毫升0.2摩尔/升的氢氧化钾水溶液中，完全溶解后，在90℃加热条件下反应12小时，得到石墨烯量子点母液。
（2）将（1）中得到的石墨烯量子点母液用0.22微米的微孔滤膜过滤，下层液体加入截留分子量为3500的透析袋中，透析3天，得到石墨烯量子点水溶液。
（3）将（2）中得到的石墨烯量子点水溶液用液氮淬冷，在冷冻干燥机中冻干，得到石墨烯量子点粉体。
对比例1
将15克葡萄糖加入150毫升去离子水中，完全溶解后，在90℃加热条件下反应12小时。反应结束后，溶液颜色并未发生明显变化，无石墨烯量子点产生。
对比例2
将15克葡萄糖加入150毫升市售30%浓氨水中，完全溶解后，在30℃加热条件下反应24小时。反应结束后，溶液颜色没有明显变化，无石墨烯量子点生成。

Claims (5)

1.一种由糖类前驱体低温制备石墨烯量子点的方法，其特征在于，如下具体步骤：
（1）将糖类单体加入到碱性水溶液中，混合均匀后，在50-100℃加热条件下反应0.5-12h，即得到石墨烯量子点母液;
（2）将步骤（1）得到的石墨烯量子点母液进行透析或过滤处理，以除去杂质，即得到石墨烯量子点水溶液；
（3）将步骤（2）得到的石墨烯量子点水溶液进行喷雾干燥、冷冻干燥或超临界流体干燥中任一种，即得到石墨烯量子点粉体。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯量子点的制备方法，其特征在于，所述的糖类单体为葡萄糖、果糖或乳糖中任一种。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯量子点的制备方法，其特征在于，所述碱性水溶液中的碱为氨水、氢氧化钠或氢氧化钾中任一种。
4.根据权利要求3所述的一种石墨烯量子点的制备方法，其特征在于，所述的氨水为市售30%浓氨水或稀释0-10倍的不同浓度氨水；氢氧化钠和氢氧化钾的水溶液浓度为0.1-5mol/L。
5.根据权利要求1所述的一种石墨烯量子点的制备方法，其特征在于，所述糖类单体的浓度为0.1-5 mol/L。
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