CN108545729A - 高效石墨烯量子点的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及石墨烯制作技术领域，尤其是一种高效石墨烯量子点的制备方法。一种高效石墨烯量子点的制备方法：步骤一：氧化石墨的制备；步骤二：高度氧化石墨的制备；步骤三：石墨烯量子点的制备。这种高效石墨烯量子点的制备方法，能够快速的完成石墨烯量子点的制备，制备简单快速。
Description
技术领域
本发明涉及石墨烯制作技术领域，尤其是一种高效石墨烯量子点的制备方法。
背景技术
一般说的石墨烯，其粒径大致都分布在几十纳米到几百纳米偶尔到达微米级，当材料的尺寸小于其激子波尔半径（激子即电子空穴对，波尔半径是指氢原子中，原子核到外面电子可以运行的轨道的距离，则激子波尔半径就是量子点中空穴的距离）时，电子和空穴的运动受到限制，呈现出量子化的特点，这样的纳米结构称为量子点。这些粒径在 10nm 左右甚至小于 10nm 的量子点，由于其量子表面效应、限域效应、量子尺寸效应、宏观量子效应和小尺寸效应，相比于体材料来说，呈现出很多独特的优势——发光效率大大增强、发光峰位受尺寸调控、具备多激子效应等。相当于前几年研究比较热门的量子点例如 CdS、CdTe、ZnTe等而言，近年来，许多科研人员开始把研究的方向转向石墨烯量子点上来。石墨烯量子点具有许多优点：1、生物相容性好；2、低细胞毒性；3、荧光性能优良；4、化学惰性等。
合成石墨烯量子点的方法，主要分为两大类：自上而下（top-downapproach）和自下而上(bottom-upapproach)两种。自上而下的方法包括：在极端条件下，采用便宜且可大量使用的石墨烯材料通过物理或者化学的手段将其分解或剥离得小尺寸的 GQDs。通常这种方法都需要多个步骤，并且使用浓酸，强氧化剂或者高温高压。这些方法缺乏精确地控制粒子的形貌和尺寸分布。自下而上的方法，主要涉及从多环芳香族化合物或其他芳香分子结构（如富勒烯）合成GQDs。这些方法虽然复杂，但是能够对最终的产品性能进行良好的控制。因此，研究出一种简单、快捷、方便又环保的获得石墨烯量子点的方法仍然是一个巨大的挑战。
发明内容
为了克服现有的石墨烯量子点方法存在的不足，本发明提供了一种高效石墨烯量子点的制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高效石墨烯量子点的制备方法：
步骤一：氧化石墨的制备；
通过改性的Hummer法制备氧化石墨；按强酸的体积与石墨的质量（比为15ml/g-50ml/g取天然鳞片石墨与强酸溶液混合均匀后，然后加入硝酸钾，其中硝酸钾与石墨质量比为1-2∶1，在水浴温度为0-20℃下加入强氧化剂，其中强氧化剂与石墨的质量比为2-6∶1，升温至40-70℃下反应1-3h，按蒸馏水的体积与石墨的比为30ml/g-80ml/g，加入蒸馏水，在75-95℃反应10-30min，终止氧化反应，过滤或者离心洗涤氧化石墨体系pH为5-7之间，在40-80℃下真空干燥得到氧化石墨固体；
步骤二：高度氧化石墨的制备；
将步骤一制备得到的氧化石墨固体分散在水中，形成质量浓度为2-7.0mg/ml的氧化石墨悬浊液，分别采用高速剪切机和超声波分散处理仪处理一段时间，用低速离心机在500rpm/min离心10min，弃掉下层沉淀，取上层悬浮液，在上层悬浮液中加入1/10的HCL溶液100ml浸泡0.5h，然后在12000rpm/min下离心，每次10min，弃掉上层清夜，直至PH=7，将下层沉淀加适量去离子水溶解、保存；
步骤三：石墨烯量子点的制备；
取上述合成的GO溶液，并用超声分析仪超声进行超声处理，然后加入适量的碱溶液，调节PH=10-11左右，搅拌后转入100ml的聚四氟乙烯中，然后放入烘箱中，进行烘烤，待反应结束后冷却至室温时，用微孔膜减压抽虑获得粗量子点溶液，再用500Da透析微孔膜在去离子水中透析24h，即得到的高浓度深棕色的石墨烯量子点溶液。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括，强酸为质量浓度为98％的硫酸、质量浓度为60-67％硝酸或两者的任意比例的混合酸。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括，强氧化剂为高锰酸钾、高氯酸钾或五氧化二磷中的一种或多种混合物。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括，步骤二中调节氧化石墨溶液的PH所用的碱是质量浓度为10-28％的氨水。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括，步骤三中超声分析仪的超声频率为40-80KHz，超声时间为5-10分钟。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括，步骤三中碱溶液为NaOH、KOH、Ca（OH）2和Mg（OH）2中的一种或多种混合物。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括，步骤上中烘箱内的温度为120-250℃，烘烤时间为0.5-2小时。
本发明的有益效果是，这种高效石墨烯量子点的制备方法，能够快速的完成石墨烯量子点的制备，制备简单快速。
具体实施方式
一种高效石墨烯量子点的制备方法：
步骤一：氧化石墨的制备；
通过改性的Hummer法制备氧化石墨；按强酸的体积与石墨的质量比为15ml/g-50ml/g取天然鳞片石墨与强酸溶液混合均匀后，然后加入硝酸钾，其中硝酸钾与石墨质量比为1-2∶1，在水浴温度为0-20℃下加入强氧化剂，其中强氧化剂与石墨的质量比为2-6∶1，升温至40-70℃下反应1-3h，按蒸馏水的体积与石墨的比为30ml/g-80ml/g，加入蒸馏水，在75-95℃反应10-30min，终止氧化反应，过滤或者离心洗涤氧化石墨体系pH为5-7之间，在40-80℃下真空干燥得到氧化石墨固体；
步骤二：高度氧化石墨的制备；
将步骤一制备得到的氧化石墨固体分散在水中，形成质量浓度为2-7.0mg/ml的氧化石墨悬浊液，分别采用高速剪切机和超声波分散处理仪处理一段时间，用低速离心机在500rpm/min离心10min，弃掉下层沉淀，取上层悬浮液，在上层悬浮液中加入1/10的HCL溶液100ml浸泡0.5h，然后在12000rpm/min下离心，每次10min，弃掉上层清夜，直至PH=7，将下层沉淀加适量去离子水溶解、保存；
步骤三：石墨烯量子点的制备；
取上述合成的GO溶液，并用超声分析仪超声进行超声处理，然后加入适量的碱溶液，调节PH=10-11左右，搅拌后转入100ml的聚四氟乙烯中，然后放入烘箱中，进行烘烤，待反应结束后冷却至室温时，用微孔膜减压抽虑获得粗量子点溶液，再用500Da透析微孔膜在去离子水中透析24h，即得到的高浓度深棕色的石墨烯量子点溶液。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括，强酸为质量浓度为98％的硫酸、质量浓度为60-67％硝酸或两者的任意比例的混合酸。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括，强氧化剂为高锰酸钾、高氯酸钾或五氧化二磷中的一种或多种混合物。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括，步骤二中调节氧化石墨溶液的PH所用的碱是质量浓度为10-28％的氨水。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括，步骤三中超声分析仪的超声频率为40-80KHz，超声时间为5-10分钟。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括，步骤三中碱溶液为NaOH、KOH、Ca（OH）2和Mg（OH）2中的一种或多种混合物。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括，步骤上中烘箱内的温度为120-250℃，烘烤时间为0.5-2小时。
本发明的实施例：
步骤一：氧化石墨的制备：
通过改性的Hummer法制备氧化石墨；按强酸的体积与石墨的质量比为 25ml/g取天然鳞片石墨与强酸溶液混合均匀后，然后加入硝酸钾，其中硝酸钾与石墨质量比为2∶1，在水浴温度为15℃下加入强氧化剂，其中强氧化剂与石墨的质量比为3∶1，升温至60℃下反应2h，按蒸馏水的体积与石墨的比为50ml/g，加入蒸馏水，在95℃反应25min，终止氧化反应，过滤或者离心洗涤氧化石墨体系pH为7之间，在50℃下真空干燥得到氧化石墨固体；
步骤二：高度氧化石墨的制备
将步骤一制备得到的氧化石墨固体分散在水中，形成质量浓度为4mg/ml的氧化石墨悬浊液，分别采用高速剪切机剪切10min和40KHz超声波分散处理30min，用低速离心机在500rpm/min离心10min，弃掉下层沉淀，取上层悬浮液。在上层悬浮液中加入1/10的HCL溶液100ml浸泡0.5h，然后在12000rpm/min下离心，每次10min，弃掉上层清夜，直至PH=7，将下层沉淀加适量去离子水溶解、保存。
步骤三：石墨烯量子点的制备
取上述合成的GO溶液20ml，并用60KHz超声分析超声20min，然后加入适量的NaOH，调节PH=10左右，搅拌后转入100ml的聚四氟乙烯中，然后放入烘箱中，150℃反应2h。待反应结束后冷却至室温时，用微孔膜减压抽虑获得粗量子点溶液，再用500Da透析微孔膜在去离子水中透析24h。即得到的高浓度深棕色的石墨烯量子点溶液，保存备用。
以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种高效石墨烯量子点的制备方法，其特征是，
步骤一：氧化石墨的制备；
通过改性的Hummer法制备氧化石墨；按强酸的体积与石墨的质量比为15ml/g-50ml/g（取天然鳞片石墨与强酸溶液混合均匀后，然后加入硝酸钾，其中硝酸钾与石墨质量比为1-2∶1，在水浴温度为0-20℃下加入强氧化剂，其中强氧化剂与石墨的质量比为2-6∶1，升温至40-70℃下反应1-3h，按蒸馏水的体积与石墨的比为30ml/g-80ml/g，加入蒸馏水，在75-95℃反应10-30min，终止氧化反应，过滤或者离心洗涤氧化石墨体系pH为5-7之间，在40-80℃下真空干燥得到氧化石墨固体；
步骤二：高度氧化石墨的制备；
将步骤一制备得到的氧化石墨固体分散在水中，形成质量浓度为2-7.0mg/ml的氧化石墨悬浊液，分别采用高速剪切机和超声波分散处理仪处理一段时间，用低速离心机在500rpm/min离心10min，弃掉下层沉淀，取上层悬浮液，在上层悬浮液中加入1/10的HCL溶液100ml浸泡0.5h，然后在12000rpm/min下离心，每次10min，弃掉上层清夜，直至PH=7，将下层沉淀加适量去离子水溶解、保存；
步骤三：石墨烯量子点的制备；
取上述合成的GO溶液，并用超声分析仪超声进行超声处理，然后加入适量的碱溶液，调节PH=10-11左右，搅拌后转入100ml的聚四氟乙烯中，然后放入烘箱中，进行烘烤，待反应结束后冷却至室温时，用微孔膜减压抽虑获得粗量子点溶液，再用500Da透析微孔膜在去离子水中透析24h，即得到的高浓度深棕色的石墨烯量子点溶液。
2.根据权利要求1所述的高效石墨烯量子点的制备方法，其特征是，强酸为质量浓度为98％的硫酸、质量浓度为60-67％硝酸或两者的任意比例的混合酸。
3.根据权利要求1所述的高效石墨烯量子点的制备方法，其特征是，强氧化剂为高锰酸钾、高氯酸钾或五氧化二磷中的一种或多种混合物。
4.根据权利要求1所述的高效石墨烯量子点的制备方法，其特征是，步骤二中调节氧化石墨溶液的PH所用的碱是质量浓度为10-28％的氨水。
5.根据权利要求1所述的高效石墨烯量子点的制备方法，其特征是，步骤三中超声分析仪的超声频率为40-80KHz，超声时间为5-10分钟。
6.根据权利要求1所述的高效石墨烯量子点的制备方法，其特征是，步骤三中碱溶液为NaOH、KOH、Ca（OH）2和Mg（OH）2中的一种或多种混合物。
7.根据权利要求1所述的高效石墨烯量子点的制备方法，其特征是，步骤上中烘箱内的温度为120-250℃，烘烤时间为0.5-2小时。
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