CN108892130A - 采用淀粉制备石墨烯量子点的绿色合成方法 - Google Patents

采用淀粉制备石墨烯量子点的绿色合成方法 Download PDF

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胡玉林
李永双
陈少娜
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Abstract

本发明公开了一种采用淀粉制备石墨烯量子点的绿色合成方法。该石墨烯量子点的制备采用淀粉作为碳源，利用去离子水作为绿色溶剂，具体是在带有搅拌装置的容器内加入去离子水，可溶性淀粉，搅拌10‑30min使之完全溶解；将上述得到的溶液加入水热釜反应器，逐渐升温至120‑250℃，保持压力在8Mpa以内，进行水热反应，反应1‑15h后出料；将得到的黑褐色物料在离心机中以3000‑15000r/min的速度进行离心分离，底层为黑褐色沉淀，上层为淡黄色透明液体，即为石墨烯量子点的水溶液。采用本方法所制备的石墨烯量子点，能较好地溶解在水中，粒径尺寸均匀，并且具有良好的荧光性能。

Description

采用淀粉制备石墨烯量子点的绿色合成方法
技术领域
本发明涉及纳米材料领域的一种制备石墨烯量子点的方法，更具体指一种采用淀粉制备石墨烯量子点的绿色方法，所得到的石墨烯量子点具有良好的水溶性，粒径尺寸均匀，同时具有良好的荧光性能。
背景技术
2004年，英国科学家首次制备出了由碳原子以sp2杂化连接的单原子层构成的新型二维原子晶体-石墨烯, 其厚度只有0.3354 nm，是目前世界上发现最薄的材料。目前制备石墨烯量子点的传统方法主要为氧化切割法，需要使用硫酸或硝酸等强氧化剂对各种碳材料（石墨、碳纤维、碳纳米管）进行氧化切割，对环境有一定的影响。而且，在氧化反应之后，对产物的后续处理过程复杂。因此，寻找一种环境友好和更适合工业化的方法是目前一个亟待解决的难题。
另一方面，由于石墨烯超大的平面共轭结构，石墨烯中的π电子具有显著的离域效应。因此，较大二维尺寸的石墨烯片具有零带隙的半金属材料特性，这限制了石墨烯在光电器件和半导体等领域的应用。打开石墨烯带隙，将其从半金属材料转变成半导体材料，引起了人们的普遍关注。目前，打开石墨烯带隙的方法主要有两种，一种是对石墨烯进行化学掺杂以破坏其π电子共轭体系。另外一种是基于量子效应，将石墨烯切割成纳米带、纳米筛或量子点（GQDs）。石墨烯量子点（GQDs）是二维侧向尺寸小于 100 nm 的石墨烯片，因量子限域效应和边界效应而呈现出特殊的物理化学性质，是一种具有带隙的半导体材料。相较于传统半导体量子点，GQDs 毒性低、水溶性好、化学活性低和荧光性质稳定。此外，GQDs 具有单原子层平面共轭结构和较大的比表面积，表面易于覆载生物大分子，且其表面的含氧基团为外来分子与 GQDs 的结合提供了活性位点，在太阳能电池、光电子器件、生物医药等领域具有广泛的应用前景。
GQDs 的制备方法主要分为自上而下和自下而上两种方法。自上而下法主要包括强酸氧化法，水热/溶剂热法，电化学氧化法等。自下而上方法主要包括可控合成和碳化反应。针对目前所报道的各种GQDs制备方法普遍存在的问题，比如制备过程复杂，反应条件苛刻，本发明采用淀粉作为原料，采用去离子水作为溶剂，利用绿色方法制备出质量良好的GQDs。相比较于其它制备方法，本方法的反应体系绿色安全，反应条件温和，反应速率较快，产物后处理过程简单，可以实现GQDs 的简单绿色的宏量制备，具有重要的应用价值和应用前景。
发明内容
本发明的目的在于解决目前GQDs制备方法普遍存在的问题，采用淀粉作为原料，同时制备出粒径尺寸均匀的GQDs，本方法的反应体系绿色安全，反应条件温和，反应速率较快，产物后处理过程简单，可以实现GQDs 的简单绿色的宏量制备，具有重要的应用价值和应用前景。其技术方案如下：
（1）在带有搅拌装置的容器内加入一定质量的去离子水，再根据上述的配比范围加入适量的淀粉，不加热或者加热至40-70℃，搅拌分散10-30min，至完全溶解或分散均匀；
（2）将第（1）步中得到的溶液或悬浮液加入水热釜，逐渐升温至120-250℃，保持压力在8Mpa以内，进行水热反应，反应1-15h后出料；
（3）将第（2）步得到的黑褐色物料在离心机中以3000-15000r/min的速度进行离心分离，分离出黑褐色沉淀，上层得到的淡黄色透明液体，即为石墨烯量子点的水溶液。
所述的一种采用淀粉制备石墨烯量子点的绿色方法，采用淀粉作为碳源，去离子水作为溶剂，制备过程简单并且不添加任何化学试剂，绿色环保，无任何环境污染。
所述的一种采用淀粉制备石墨烯量子点的绿色方法，去离子水与淀粉的质量比范围为50~200：1~10，优选值为80~150：2~5。
所述的一种采用淀粉制备石墨烯量子点的绿色方法，淀粉是直链淀粉，也可以是所有含有淀粉的各类植物，包括：玉米，木薯，红薯，马铃薯等，但不仅限于此。
本发明与现有技术相比，其优点为：本发明采用淀粉作为原料，采用去离子水作为溶剂，利用绿色方法制备出GQDs。所得到的GQDs粒径尺寸均匀，并且GQDs具有良好的水溶性和荧光性能。相比较于其它GQDs 制备方法，本方法的反应体系绿色安全，反应条件温和，反应速率较快，产物后处理过程简单，可以实现GQDs 的简单绿色的宏量制备，具有重要的应用价值和应用前景。
附图说明
图1为实施例1所制备的石墨烯量子点的XRD谱图。
图2为实施例1所制备的GQDs在紫外灯下的荧光照片。
图3为实施例1-3所制备的GQDs的荧光光谱。
图4为实施例1所制备的石墨烯量子点的SEM照片。
具体实施方式
实施例1
在带有搅拌装置的容器内加入1kg去离子水，再加入20g可溶性淀粉，加热至40℃，搅拌10min至完全溶解；将淀粉的水溶液加入水热釜，逐渐升温至150℃，保持压力在6Mpa以内，进行水热反应，反应15h后出料；将所得到的黑褐色物料在离心机中以5000r/min的速度进行离心分离，分离出黑褐色沉淀，上层分离得到的淡黄色透明液体，即为石墨烯量子点的水溶液。
实施例2
在带有搅拌装置的容器内加入1kg去离子水，再加入5g玉米粉，加热至60℃，搅拌30min至分散均匀；将含有玉米粉的悬浮液加入水热釜，逐渐升温至160℃，保持压力在6Mpa以内，进行水热反应，反应10h后出料；将所得到的黑褐色物料在离心机中以10000r/min的速度进行离心分离，分离出黑褐色沉淀，上层分离得到的淡黄色透明液体，即为石墨烯量子点的水溶液。石墨烯量子点的XRD谱图同实施例1图谱。
实施例3
在带有搅拌装置的容器内加入1kg去离子水，再加入10g木薯粉，加热至50℃，搅拌25min至分散均匀；将含有木薯粉的悬浮液加入水热釜，逐渐升温至170℃，保持压力在6Mpa以内，进行水热反应，反应12h后出料；将所得到的黑褐色物料在离心机中以9000r/min的速度进行离心分离，分离出黑褐色沉淀，上层分离得到的淡黄色透明液体，即为石墨烯量子点的水溶液。石墨烯量子点的XRD谱图同实施例1图谱。

Claims (4)

1.一种采用淀粉制备石墨烯量子点的绿色合成方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）在带有搅拌装置的容器内加入去离子水，再加入可溶性淀粉，常温或者加热至40-80℃，搅拌分散10-30min，至完全溶解；
（2）将步骤（1）中得到的溶液加入水热釜，保持压力在8Mpa以内，升温至120-250℃，水热反应1-15h后出料，得到黑褐色物料；
（3）将步骤（2）中得到的黑褐色物料在离心机中以3000-15000r/min的速度进行离心分离，分离出黑褐色沉淀，上层淡黄色透明液体，即为石墨烯量子点的水溶液。
2.权利要求1所述的采用淀粉制备石墨烯量子点的方法，其特征在于，去离子水与淀粉的质量比范围为50~200：1~10。
3.权利要求1所述的采用淀粉制备石墨烯量子点的方法，其特征在于，去离子水与淀粉的质量比范围为80~150：2~5。
4.权利要求1所述的采用淀粉制备石墨烯量子点的方法，其特征在于，淀粉是可溶性淀粉，或所有各类含有淀粉的植物，包括玉米、木薯、红薯、马铃薯。
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