CN109052375A - 一种锡粉改性的高稳定性氮掺杂石墨烯量子点的制备方法 - Google Patents

一种锡粉改性的高稳定性氮掺杂石墨烯量子点的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种锡粉改性的高稳定性氮掺杂石墨烯量子点的制备方法，该方法采用柠檬酸作为碳源，尿素作为氮源，锡粉为还原剂，再通过超声预处理、水热反应，最后处理水热产物得到氮掺杂石墨烯量子点材料。该制备方法工艺简单，条件温和，制备的氮掺杂石墨烯量子点纯净度较好、粒径小且尺度分布均匀，荧光稳定性性可达半年以上，有利于其在光电、生物医药等更多领域的应用潜力。

Description

一种锡粉改性的高稳定性氮掺杂石墨烯量子点的制备方法
技术领域
本发明涉及纳米材料技术领域，具体涉及一种锡粉改性的高稳定性氮掺杂石墨烯量子点的制备方法。
背景技术
近年来，石墨烯量子点作为石墨烯家族的最新一员被开发出来，其由于良好的水溶性、生物相容性、低毒性、稳定的荧光等特点备受青睐；而且由于其在继承石墨烯优异性能的同时还具有量子限制效应和边界效应，极大的开辟了石墨烯量子点在能源、环境和生物传感等领域的应用前景。
石墨烯量子点的制备是石墨烯纳米材料研究领域的重要课题，而制备方法的选择对石墨烯量子点的性能具有重要的影响，如晶粒的尺寸、晶粒的形貌、掺杂元素的含量及表面微结构等方面都会影响量子点的物理化学性质和用途。因此，探索新的制备技术对获得性能优越的量子点材料来说是一项有意义的研究。目前，研究者已经采用各种物理、化学手段制备了石墨烯量子点。但是，这些方法制备的石墨烯量子点存在荧光量子产率低，发光不稳定等问题，尤其是量子点的荧光稳定性直接决定其使用的领域和有效期。
发明内容
本发明的目的在于提供一种锡粉改性的高稳定性氮掺杂石墨烯量子点的制备方法，以解决上述背景技术中提出的石墨烯量子点存在量子产率低以及发光不稳定的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种锡粉改性的高稳定性氮掺杂石墨烯量子点的制备方法，其制备方法为：使用柠檬酸CA作为碳源，尿素Ur作为氮源，锡粉Sn为还原剂，再通过超声预处理、水热反应，最后处理水热产物得到颗粒为2-3nm的橙黄色氮掺杂石墨烯量子点。
具体步骤包括如下：
(1)将柠檬酸和尿素按照摩尔比1:3混合在去离子水中，随后加入还原剂锡粉，锡粉和柠檬酸摩尔比为1:4，将形成的混合溶液经超声预处理30min后，再转移至聚四氟乙烯高温反应内胆的反应釜中封闭，并在烘箱中加热至180℃保温4h，随后随炉冷却至室温；
(2)将步骤(1)得到的橙黄色稳定液体经乙醇洗涤，超声震荡20min，随后静置24h，进一步去除其它多余有机物，萃取完成后上层清液即为较纯的氮掺杂石墨烯量子点(N-GQDs)。
由于上述技术方案运用，与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明采用锡粉为还原剂，以锡粉改性的高稳定性氮掺杂石墨烯量子点，使制备的N-GQDs具有很好的稳定性。
(2)本发明采用柠檬酸作为碳源，尿素作为氮源，制备石墨烯量子点，其反应液为中性反应，反应温和。
(3)本发明以锡粉改性的高稳定性氮掺杂石墨烯量子点，其量子产率为69％，相比未改性的N-GQD(量子产率为32％)，量子产率提高了2倍。
(4)本发明的制备方法工艺简单，条件温和，制备的氮掺杂石墨烯量子点纯净度较好、粒径小且尺度分布均匀，荧光稳定性性可达半年以上，有利于其在光电、生物医药等更多领域的应用潜力。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例得到的N-GQD的TEM图；
图2为本发明实施例得到的N-GQD的XPS全谱图；
图3为本发明实施例得到的N-GQD的C-1s高清分辨图；
图4为本发明实施例得到的N-GQD的N-1s高分辨图；
图5为本发明实施例得到的N-GQD的O-1s高分辨图；
图6为本发明实施例得到的N-GQD的Sn3D高分辨图；
图7为本发明实施例得到的Sn粉改性的N-GQD和未加Sn粉改性的N-GQD的存储稳定性对比图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的技术方案进行进一步详细描述。
实施例1
(1)使用一步水热方法，柠檬酸(CA)作为碳源，使用尿素(Ur)作为氮源，聚四氟乙烯高温反应内胆作为反应容器。称取1.68g柠檬酸(CA)和5.04g尿素(Ur)混合在1.6ml去离子水中，搅拌使混合均匀，随后加入0.42g的还原剂锡(Sn)粉，搅拌均匀。将混合溶液放入超声清洗器中，进行超声分散处理30min，然后转移至聚四氟乙烯高温反应内胆的反应釜中密封，并在烘箱中加热至180℃保温8h，随后随炉冷却至室温。
(2)水热产物的后处理：将步骤(1)得到的橙黄色稳定液体经乙醇反复洗涤，超声20min，随后静置24h，进一步去除其它多余有机物，萃取完成后上层清液即为较纯的氮掺杂石墨烯量子点(N-GQDs)。其颗粒尺寸约为2-3nm，量子点在波长为365nm紫外灯照射下的荧光发射颜色为亮蓝色，如附图1所示。
效果验证：如图1所示，本实施例1所制备的氮掺杂石墨烯量子点颗粒尺寸约为2.81nm，均匀分布在超薄碳膜上，这很好的说明样品石墨烯量子点具有很好的分散性，并且尺度分布相对均匀。从高倍TEM图看出该量子点具有石墨烯的蜂窝状结构以及明显的晶格条纹。
如图2所示，本实施例1所制备的氮掺杂石墨烯量子点表面化学结构，包含C，N，O三种元素，其中N元素1s的峰极为明显，说明该量子点对于元素N具有很好的掺杂效果。
如图3、图5所示，本实施例1所制备的氮掺杂石墨烯量子点表面具有大量的官能团，如C＝O，C-OH，C-O-C等等.
如图4所示，本实施例1所制备的氮掺杂石墨烯量子点中的元素氮作为掺杂元素在量子点中存在形态主要为吡咯氮，吡啶氮结构和石墨氮结构，进一步证明N元素具有很好的掺杂性能。
如图6所示，本实施例1所制备的氮掺杂石墨烯量子点中，锡(Sn)粉很好的掺杂进N-GQDs中，图中很明显的Sn的结晶峰表示该材料成功掺杂进去Sn，后面很弱的化合物峰，进一步表明Sn以及元素N很好的掺杂进量子点中。它对量子点的稳定性有很大作用。
如图7所示，本实施例1所制备的氮掺杂石墨烯量子点，随着放置时间的延长，未经Sn粉改性的N-GQD，其荧光强度逐渐降低，放置6个月后荧光强度保留其原始强度的1/4。但经Sn粉改性的N-GQD放置6个月后，强度仍保持98％以上，具有良好的稳定性。Sn粉改性的N-GQD量子产率为69％，相比未改性的N-GQD(量子产率为32％)，量子产率提高了2倍。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种锡粉改性的高稳定性氮掺杂石墨烯量子点的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将柠檬酸和尿素按照摩尔比1:3混合在去离子水中，随后加入还原剂锡粉，锡粉和柠檬酸摩尔比为1:4，将形成的混合溶液经超声分散处理30min后，再转移至聚四氟乙烯高温反应内胆的反应釜中封闭，并在烘箱中加热至180℃保温4h，随后随炉冷却至室温；
(2)将步骤(1)得到的橙黄色稳定液体经乙醇洗涤，超声震荡20min，随后静置24h，进一步去除其它多余有机物，萃取完成后上层清液即为较纯的氮掺杂石墨烯量子点。
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