CN108622881A - 石墨烯量子点的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种石墨烯量子点的制造方法，包括以一加热温度加热一原材料形成多个石墨烯量子点，加热温度为200℃至400℃，原材料包括一含羰基材料。本发明的石墨烯量子点制造方法，在200℃至400℃直接加热包括一含羰基材料的原材料以得到石墨烯量子点。如此一来，在低温下即可快速大量制得石墨烯量子点，且不会产生高污染物。

Description

石墨烯量子点的制造方法
技术领域
本发明涉及一种石墨烯量子点的制造方法，特别是一种快速的石墨烯量子点的制造方法。
背景技术
石墨烯(Graphene)是一种具有六角型平面结构的二维纳米材料。石墨烯的六角形结构是由碳原子以sp2混成轨域构成的。石墨烯具有高导热系数、高导电系数以及高结构强度，更重要的是石墨烯在常温下即可观察到量子霍尔效应。因此，石墨烯在电子元件、发光元件与电池领域的发展备受期待。
然而，目前公知的石墨烯制造方法中，存在着产率偏低、制造成本偏高、产生对环境有害的高污染物等等的问题，使得石墨烯仍无法被广泛的使用。举例来说，使用机械剥离法生产石墨烯的产率偏低，使用磊晶成长法或化学气相沉积法需花费数个小时的生产时间导致时间成本过高，使用磊晶成长法或化学气相沉积法需在高温下进行，使用液相剥离法会产生大量废水等等。因此，如何找出一种高产率、低制造成本、低污染的石墨烯制造方法，已成为研究人员的重要研究方向。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足提供一种石墨烯量子点的制造方法，利用直接加热原材料的方式得到石墨烯量子点，解决了公知技术石墨烯制造方法中产率偏低、制造成本偏高以及产生高污染物的问题。
本发明所要解决的技术问题是通过如下技术方案实现的：一种石墨烯量子点的制造方法，包括以一加热温度加热一原材料形成多个石墨烯量子点，加热温度为200℃至400℃，原材料包括一含羰基材料。
更好地，以该加热温度加热该原材料形成多个所述石墨烯量子点的步骤中，使用一红外线加热器。
更好地，以该加热温度加热该原材料形成多个所述石墨烯量子点的步骤中，以该加热温度加热该原材料的时间为3分钟至33分钟。
更好地，以该加热温度加热该原材料形成多个所述石墨烯量子点的步骤中，使用一电阻式加热器。
更好地，以该加热温度加热该原材料形成多个所述石墨烯量子点的步骤中，以该加热温度加热该原材料的时间为80分钟至100分钟。
更好地，以该加热温度加热该原材料形成多个所述石墨烯量子点的步骤于大气环境中或无氧气氛中进行。
更好地，该原材料中的该含羰基材料为柠檬酸、葡萄糖、果糖或乙基纤维素。
更好地，该原材料为固态、液态或溶液态。
更好地，该原材料更包括一含氨基材料，多个所述石墨烯量子点具有一氨基。
更好地，该原材料为固态、液态或溶液态。
更好地，当该原材料为固态时，该含羰基材料与该含氨基材料通过球磨均匀混合。
更好地，该原材料中的该含羰基材料为柠檬酸、葡萄糖、果糖或乙基纤维素，该含氨基材料为尿素或铵盐。
更好地，该原材料中的该含羰基材料与该含氨基材料的摩尔比值为6至0.8。
本发明的石墨烯量子点制造方法，在200℃至400℃直接加热包括一含羰基材料的原材料以得到石墨烯量子点。如此一来，在低温下即可快速大量制得石墨烯量子点，且不会产生高污染物。
以上记载内容的说明及以下的实施方式的说明用以示范与解释本发明的精神与原理，并且提供本发明的权利要求保护范围更进一步的解释。
附图说明
图1为本发明实施例一、实施例五、实施例九与实施例十三的石墨烯量子点制造方法流程图；
图2为本发明实施例二至实施例四、实施例六至实施例八、实施例十至实施例十二与实施例十四至实施例十六的石墨烯量子点制造方法流程图；
图3为本发明实施例二的石墨烯量子点的透射电子显微镜照片；
图4为本发明实施例一至实施例四的石墨烯量子点的傅里叶转换红外光谱；
图5至图7分别为本发明实施例六、实施例十与实施例十四的石墨烯量子点的透射电子显微镜照片；
图8为本发明实施例五至实施例八的石墨烯量子点的傅里叶转换红外光谱；
图9为本发明实施例九至实施例十二的石墨烯量子点的傅里叶转换红外光谱；
图10为本发明实施例十三至实施例十六的石墨烯量子点的傅里叶转换红外光谱。
具体实施方式
以下在实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使本领域普通技术人员了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所记载的内容、权利要求保护范围及附图，本领域普通技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。以下的实施例进一步详细说明本发明的观点，但非以任何观点限制本发明的权利要求保护范围。
本发明实施例一、实施例五、实施例九与实施例十三的石墨烯量子点制造方法包括的步骤如下，请参照图1。图1为本发明实施例一、实施例五、实施例九与实施例十三的石墨烯量子点制造方法流程图。
首先，准备原材料(S101)。
详细来说，原材料包括一含羰基材料。含羰基材料例如为柠檬酸、葡萄糖、果糖、乙基纤维素等。原材料的形式为固态、液态或溶液态。
接着，以加热温度加热原材料形成多个石墨烯量子点(S102)。
详细来说，将承载有原材料的加热容器放入加热器中进行加热，使得原材料受热而转为多个石墨烯量子点。对原材料进行加热前，加热器被预先升温至200℃至400℃后持温20分钟，由此降低承载有原材料的加热容器放入加热器后造成温度振荡过大的情况。加热原材料是在大气环境下或是在无氧气氛下进行。
当使用的加热器为电阻式加热器时，电阻式加热器以200℃至400℃的加热温度加热原材料80分钟至100分钟而得到多个石墨烯量子点。当使用的加热器为红外线加热器时，红外线加热器以200℃至400℃的加热温度加热原材料3分钟至33分钟而得到多个石墨烯量子点。
当原材料的形式为溶液态时，加热器加热的时间需略为延长，由此去除原材料中的溶剂。
接着介绍本发明实施例二至实施例四、实施例六至实施例八、实施例十至实施例十二与实施例十四至实施例十六的石墨烯量子点制造方法，请参照图2。图2为本发明实施例二至实施例四、实施例六至实施例八、实施例十至实施例十二与实施例十四至实施例十六的石墨烯量子点制造方法流程图。
首先，准备原材料(S201)。
详细来说，原材料包括一含羰基材料与一含氨基材料。原材料中的含羰基材料与含氨基材料的摩尔比值为6至0.8。含羰基材料例如为柠檬酸、葡萄糖、果糖、乙基纤维素等。含氨基材料例如为尿素、铵盐、葡萄糖胺等。原材料的形式为固态、液态或溶液态。
接着，将原材料混合均匀(S202)。
详细来说，使原材料均匀混合以便提升反应的均匀性。当原材料的形式为固态时，例如使用球磨的方式将原材料混合均匀。当原材料的形式为液态或溶液态时，例如使用搅拌的方式将原材料混合均匀。
接着，以加热温度加热原材料形成多个石墨烯量子点(S203)。
详细来说，将承载有原材料的加热容器放入加热器中进行加热，使得原材料受热而转为多个石墨烯量子点。对原材料进行加热前，加热器被预先升温至200℃至400℃后持温20分钟，由此降低承载有原材料的加热容器放入加热器后造成温度振荡过大的情况。加热原材料是在大气环境下或是在无氧气氛下进行。
当使用的加热器为电阻式加热器时，电阻式加热器以200℃至400℃的加热温度加热原材料80分钟至100分钟而得到多个石墨烯量子点。当使用的加热器为红外线加热器时，红外线加热器以200℃至400℃的加热温度加热原材料3分钟至33分钟而得到多个石墨烯量子点。
当原材料的形式为溶液态时，加热器加热的时间需略为延长，由此去除原材料中的溶剂。
以下借助于本发明数个实施例说明本发明所揭露的石墨烯量子点制造方法。实施例一至实施例四的材料与制程参数整理请参照表一。表一为实施例一至实施例四的数据表。实施例一至实施例四的原材料中，含羰基材料为柠檬酸，含氨基材料为尿素。原材料的型态均为固态，原材料的总重量为0.1克。含羰基材料与含氨基材料的混合使用球磨进行混合。
表一
接下来对实施例一至实施例四的石墨烯量子点进行分析。请参照图3，图3为本发明实施例二的石墨烯量子点的透射电子显微镜照片。以透射电子显微镜观测实施例二的石墨烯量子点可得到石墨烯量子点的直径50纳米至100纳米。
请参照图4，图4为本发明实施例一至实施例四的石墨烯量子点的傅里叶转换红外光谱。由实施例一至实施例四的石墨烯量子点的傅里叶转换红外光谱分析结果可知，含羰基材料与含氨基材料的摩尔比值越接近1，碳-碳双键的信号峰强度越强，代表石墨烯的含量越高。再者，由实施例二至实施例四的石墨烯量子点的傅里叶转换红外光谱分析结果可见到碳-氮键的信号，代表原材料中的含氨基材料与含羰基材料被加热形成石墨烯量子点后，含氨基材料中的氮键结在石墨烯量子点上，形成表面改质的石墨烯量子点。
接着，说明实施例一至实施例四的石墨烯量子点的X射线光电子能谱(XPS)分析结果，实施例一的石墨烯量子点中的氮/碳原子数比值为0，实施例二的石墨烯量子点中的氮/碳原子数比值为0.1％，实施例三的石墨烯量子点中的氮/碳原子数比值为0.2％，实施例四的石墨烯量子点中的氮/碳原子数比值为0.4％。因此，由实施例一至实施例四的石墨烯量子点的X射线光电子能谱(XPS)分析结果可知，原材料中的含氨基材料比例越高，生成的石墨烯量子点上键结的氮原子含量越高。由于表面改质的石墨烯量子点具有反应性较高的氨基，使得表面改质的石墨烯量子点易于被进一步加工使用。表面改质的石墨烯量子点被加工后可被应用在可挠式显示器、半导体发光元件、荧光材料、薄膜晶体管、印刷电路、可挠式电路元件、生医产业、生物芯片等。
实施例五至实施例十六的材料与制程参数整理请参照表二。表二为实施例五至实施例十六的数据表。实施例五至实施例十六的原材料中，含羰基材料为柠檬酸，含氨基材料为尿素。原材料的型态均为固态，原材料的总重量为0.1克。含羰基材料与含氨基材料的混合使用球磨进行混合。
表二
接下来对实施例五至实施例十六的石墨烯量子点进行分析。请参照图5至图7，图5至图7分别为本发明实施例六、实施例十与实施例十四的石墨烯量子点的透射电子显微镜照片。以透射电子显微镜观测实施例六、实施例十与实施例十四的石墨烯量子点，可得到实施例六的石墨烯量子点的直径为10纳米至20纳米，实施例十的石墨烯量子点的直径为5纳米至10纳米，实施例十四的石墨烯量子点的直径为2纳米至8纳米。由此可知，使用红外线加热器加热的时间越短，石墨烯量子点的直径越小。直径越小的石墨烯量子点，其量子霍尔效应越强。
请参照图8，图8为本发明实施例五至实施例八的石墨烯量子点的傅里叶转换红外光谱。图9为本发明实施例九至实施例十二的石墨烯量子点的傅里叶转换红外光谱。图10为本发明实施例十三至实施例十六的石墨烯量子点的傅里叶转换红外光谱。由实施例五至实施例十六的石墨烯量子点的傅里叶转换红外光谱分析结果可知，含羰基材料与含氨基材料的摩尔比值越接近1，碳-碳双键的信号峰强度越强，代表石墨烯的含量越高。再者，由实施例六至实施例八、实施例十至实施例十二与实施例十四至实施例十六的石墨烯量子点的傅里叶转换红外光谱分析结果可见到碳-氮键的信号，代表原材料中的含氨基材料与含羰基材料被加热形成石墨烯量子点后，含氨基材料中的氮键结在石墨烯量子点上，形成表面改质的石墨烯量子点。
接着，说明实施例六至实施例十六的石墨烯量子点的X射线光电子能谱(XPS)分析结果，实施例五的石墨烯量子点中的氮/碳原子数比值为0，实施例六的石墨烯量子点中的氮/碳原子数比值为0.5％，实施例七的石墨烯量子点中的氮/碳原子数比值为1.1％，实施例八的石墨烯量子点中的氮/碳原子数比值为2.2％。实施例九的石墨烯量子点中的氮/碳原子数比值为0，实施例十的石墨烯量子点中的氮/碳原子数比值为0.3％，实施例十一的石墨烯量子点中的氮/碳原子数比值为0.7％，实施例十二的石墨烯量子点中的氮/碳原子数比值为1.2％。实施例十三的石墨烯量子点中的氮/碳原子数比值为0，实施例十四的石墨烯量子点中的氮/碳原子数比值为0.2％，实施例十五的石墨烯量子点中的氮/碳原子数比值为0.4％，实施例十六的石墨烯量子点中的氮/碳原子数比值为0.9％。
由实施例六至实施例十六的石墨烯量子点的X射线光电子能谱(XPS)分析结果可知，加热时间相同时，原材料中的含氨基材料比例越高，生成的石墨烯量子点上键结的氮原子含量越高。原材料中的含氨基材料比例相同时，加热原材料的时间越长，生成的石墨烯量子点上键结的氮原子含量越高。由于表面改质的石墨烯量子点具有反应性较高的氨基，使得表面改质的石墨烯量子点易于被进一步加工使用。
此外，使用红外线加热器时，由于红外线加热器以特定波长范围的光波提供能量，且此波长的光波易于被原材料所吸收，使得使用红外线加热器加热原材料以生成石墨烯量子点所需的时间短于使用电阻式加热器加热原材料以生成石墨烯量子点所需的时间。因此，本发明使用红外线加热器生产石墨烯量子点时，可进一步降低生产石墨烯量子点的时间成本。
综上所述，本发明所记载的石墨烯量子点的制造方法中，利用200℃至400℃的加热温度加热包括一含羰基材料的原材料以形成多个石墨烯量子点。如此一来，在低温下即可快速大量制得石墨烯量子点，且不会产生高污染物。
再者，本发明所记载的石墨烯量子点的制造方法中，在大气环境下或是无氧气氛中即可生产石墨烯量子点。如此一来，相较于部分习用石墨烯制造方法需要在真空环境下进行，本发明所记载的石墨烯量子点的制造方法可省下设置真空设备的成本。

Claims (13)

1.一种石墨烯量子点的制造方法，其特征在于，包括：
以一加热温度加热一原材料形成多个石墨烯量子点，该加热温度为200℃至400℃；
其中，该原材料包括一含羰基材料。
2.如权利要求1所述的石墨烯量子点的制造方法，其特征在于，以该加热温度加热该原材料形成多个所述石墨烯量子点的步骤中，使用一红外线加热器。
3.如权利要求2所述的石墨烯量子点的制造方法，其特征在于，以该加热温度加热该原材料形成多个所述石墨烯量子点的步骤中，以该加热温度加热该原材料的时间为3分钟至33分钟。
4.如权利要求1所述的石墨烯量子点的制造方法，其特征在于，以该加热温度加热该原材料形成多个所述石墨烯量子点的步骤中，使用一电阻式加热器。
5.如权利要求4所述的石墨烯量子点的制造方法，其特征在于，以该加热温度加热该原材料形成多个所述石墨烯量子点的步骤中，以该加热温度加热该原材料的时间为80分钟至100分钟。
6.如权利要求1的石墨烯量子点的制造方法，其特征在于，以该加热温度加热该原材料形成多个所述石墨烯量子点的步骤于大气环境中或无氧气氛中进行。
7.如权利要求1所述的石墨烯量子点的制造方法，其特征在于，该原材料中的该含羰基材料为柠檬酸、葡萄糖、果糖或乙基纤维素。
8.如权利要求1-7任一项所述的石墨烯量子点的制造方法，其特征在于，该原材料为固态、液态或溶液态。
9.如权利要求1-7任一项所述的石墨烯量子点的制造方法，其特征在于，该原材料更包括一含氨基材料，多个所述石墨烯量子点具有一氨基。
10.如权利要求9所述的石墨烯量子点的制造方法，其特征在于，该原材料为固态、液态或溶液态。
11.如权利要求10所述的石墨烯量子点的制造方法，其特征在于，当该原材料为固态时，该含羰基材料与该含氨基材料通过球磨均匀混合。
12.如权利要求9所述的石墨烯量子点的制造方法，其特征在于，该原材料中的该含羰基材料为柠檬酸、葡萄糖、果糖或乙基纤维素，该含氨基材料为尿素或铵盐。
13.如权利要求12所述的石墨烯量子点的制造方法，其特征在于，该原材料中的该含羰基材料与该含氨基材料的摩尔比值为6至0.8。
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