CN109052381B - 一种微爆法制备石墨烯量子点的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种微爆法制备石墨烯量子点的方法，首先对石墨进行高温煅烧使其内部形成裂缝，然后在反应釜中使过硫酸铵从石墨的外部和裂缝里对其共同作用，通过反应使石墨在断裂和分层过程中被爆碎形成石墨烯量子点。由于该方法是在石墨的外部与裂缝里边同时作用，石墨是由内外同时被氧化而微爆破碎，因此制得的石墨烯量子点形貌比较均一，而且产量很高，适合大规模制备。
Description
技术领域
本发明属于纳米材料制备技术领域，具体涉及一种微爆法制备石墨烯量子点的方法。
背景技术
石墨烯量子点一般是指片层少于三层、尺寸小于30nm的还原石墨烯纳米薄片。它是一种准零维的纳米材料，由于尺寸太小，它的内部电子在各个方向上的运动会受到局限而具有很强的量子限域效应和边界效应，因此它除了具有石墨烯许多优异的性能之外，还具有许多其他的性质，例如它具有很大的表面积、很好的机械性能、很高的电子迁移率、较好的生物相容性、水溶性等许多特点，因此在生物医学、光电材料、磁性材料及环境检测等领域具有重要的应用前景。
目前制备石墨烯量子点的方法主要有自上而下法和自下而上法。自上而下法一般是指把石墨、氧化石墨、石墨烯、碳纤维等一系列碳材料通过强酸氧化制备或者把各种碳材料先制备成氧化石墨后再次由氧化石墨制备而得。自上而下法一般来说产量较高，但是在强酸氧化剂氧化过程中会产生有毒有害气体，对环境危害较大。此外，反应比较复杂，反应后会对其引入过多含氧官能团，还需要还原后才能得到石墨烯量子点；自下而上法则是由小分子有机化合物(多为芳香族化合物)氧化缩合制备而成，该方法制备简单，反应时间短，但是产率较低，不能够大规模制备，此外反应条件比较苛刻，比较难得到均一的石墨烯量子点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微爆法制备石墨烯量子点的方法，制得的石墨烯量子点形貌均一、产量很高，适合大规模制备。
本发明所采用的技术方案是：一种微爆法制备石墨烯量子点的方法，包括如下步骤：
步骤1：将石墨进行高温煅烧；
步骤2：将步骤1中得到的石墨与过硫酸铵在N,N-二甲基甲酰胺中混合；
步骤3：将步骤2中得到的混合物溶液搅拌后再进行超声分散，使其分散均匀；
步骤4：将步骤3中得到分散均匀的混合物转移到水热反应釜中进行反应；
步骤5：将步骤4中得到的产物冷却至室温后，通过多孔滤膜过滤掉碳基材料，得到含有石墨烯量子点的混合溶液；
步骤6：将步骤5中得到的含有石墨烯量子点的混合溶液在透析袋中透析得到石墨烯量子点水溶液；
步骤7：将步骤6中得到的石墨烯量子点水溶液进行冷冻干燥得到石墨烯量子点。
本发明的特点还在于，
步骤1中所用的石墨为膨胀石墨或200～800目的鳞片石墨。
步骤1中的煅烧反应在至少一种惰性气体保护下进行，煅烧温度为800～1200℃、煅烧时间为5～10min。
步骤3中的搅拌为磁力搅拌或机械搅拌，搅拌时间为不小于30min。
步骤3中的超声功率不小于200W，超声时间不小于30min。
步骤4中所用的水热反应釜加热温度为160～220℃，加热时间为6～10h。
步骤5中所用的多孔滤膜截留孔径为0.1～0.4μm，优选为0.22μm。
步骤6中所用的透析袋截留分子量为0.5～2KD，优选为1KD。
步骤6中的透析时长为三天，每天换去离子水1次以上。
本发明的有益效果是：本发明一种微爆法制备石墨烯量子点的方法，首先对石墨进行高温煅烧使其内部形成裂缝，然后在反应釜中使过硫酸铵从石墨的外部和裂缝里对其共同作用，通过反应使石墨在断裂和分层过程中被爆碎形成石墨烯量子点。由于该方法是在石墨的外部与裂缝里边同时作用，石墨是由内外同时被氧化而微爆破碎，因此制得的石墨烯量子点形貌比较均一，而且产量很高，适合大规模制备。
附图说明
图1是本发明一种微爆法制备石墨烯量子点的方法的实施例1中制备的石墨烯量子点TEM图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种微爆法制备石墨烯量子点的方法，包括如下步骤：
步骤1：将膨胀石墨或200～800目的鳞片石墨进行高温煅烧，煅烧反应在至少一种惰性气体保护下进行，煅烧温度为800～1200℃、煅烧时间为5～10min；
步骤2：将步骤1中得到的石墨与过硫酸铵在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中混合；
步骤3：将步骤2中得到的混合物溶液采用磁力搅拌或机械搅拌，搅拌时间为不小于30min，之后再进行超声分散，超声功率不小于200W，超声时间不小于30min，使其分散均匀；
步骤4：将步骤3中得到分散均匀的混合物转移到水热反应釜中进行反应，反应釜的加热温度为160～220℃，加热时间为6～10h；
步骤5：将步骤4中得到的产物冷却至室温后，通过多孔滤膜过滤掉碳基材料，多孔滤膜截留孔径为0.1～0.4μm，优选为0.22μm，得到含有石墨烯量子点的混合溶液；
步骤6：将步骤5中得到的含有石墨烯量子点的混合溶液在透析袋中透析得到石墨烯量子点水溶液；其中，透析袋截留分子量为0.5～2KD，优选为1KD，透析时长为三天，每天换去离子水1次以上；
步骤7：将步骤6中得到的石墨烯量子点水溶液进行冷冻干燥得到石墨烯量子点。
通过上述方式，本发明的微爆法制备石墨烯量子点的方法，首先是对石墨进行前处理，在惰性气体保护下对石墨进行高温煅烧，石墨内部就形成裂缝；然后在水热反应釜中的高温高压条件下，使过硫酸铵从石墨的外部与裂缝对其共同作用，通过氧化和分解反应使石墨在断裂和分层处被爆碎形成石墨烯量子点。本发明的优点是可以制备高产量的石墨烯量子点；此外，制备的石墨烯量子点纯度高、片径均一，所用试剂常见、易得，方法简单，易于大规模制备。
实施例1
将2g 325目的鳞片石墨置于管式炉中，在氮气保护下升温至800℃并保持10min；取100mL浓DMF放入250mL的烧杯中，在磁力搅拌下分别加入1g上述预处理的石墨与2g过硫酸铵，使两种固体粉末在DMF中混合均匀；搅拌1h后再200W以上超声处理1h；将分散均匀的混合物转移到聚四氟乙烯衬底的水热反应釜中并加热至160℃反应10h；待反应釜冷却至室温后，通过0.22μm的多孔滤膜用去离子水过滤后得到含有石墨烯量子点的混合溶液；然后将所得溶液装入1KD的透析袋中进行透析三天，每天早晚各换去离子水一次；最后将所得的石墨烯量子点水溶液冷冻干燥后得到黄色石墨烯量子点固体粉末。从图1的透射电镜可以看出制备的石墨烯量子点片径均一，大约在4nm左右。
实施例2
将2g 200目的鳞片石墨置于管式炉中，在氮气保护下升温至1200℃并保持5min；取80mL浓DMF放入250mL的烧杯中，在磁力搅拌下分别加入1.2g上述预处理的石墨与2.4g过硫酸铵，使两种固体粉末在DMF中混合均匀；搅拌30min后再200W以上超声处理1h；将分散均匀的混合物转移到聚四氟乙烯衬底的水热反应釜中并加热至220℃反应6h；待反应釜冷却至室温后，通过0.1μm的多孔滤膜用去离子水过滤后得到含有石墨烯量子点的混合溶液；然后将所得溶液装入0.5KD的透析袋中进行透析三天，每天早晚各换去离子水一次；最后将所得的石墨烯量子点水溶液进行冷冻干燥后得到黄色石墨烯量子点固体粉末。
实施例3
将2.5g 800目的鳞片石墨置于管式炉中，在氮气保护下升温至1100℃并保持6min；取80mL浓DMF放入250mL的烧杯中，在磁力搅拌下分别加入1.1g上述预处理的石墨与2.5g过硫酸铵，使两种固体粉末在DMF中混合均匀；搅拌40min后再200W以上超声处理40min；将分散均匀的混合物转移到聚四氟乙烯衬底的水热反应釜中并加热至200℃反应7h；待反应釜冷却至室温后，通过0.22μm的多孔滤膜用去离子水过滤后得到含有石墨烯量子点的混合溶液；然后将所得溶液装入2KD的透析袋中透析三天，每天换去离子水一次；最后将所得的石墨烯量子点水溶液冷冻干燥后得到黄色石墨烯量子点固体粉末。
实施例4
将2.5g膨胀石墨置于管式炉中，在氮气保护下升温至800℃并保持8min；取100mL浓DMF放入250mL的烧杯中，在磁力搅拌下分别加入1g上述预处理的石墨与2.1g过硫酸铵，使两种固体粉末在DMF中混合均匀；搅拌50min后再200W以上超声处理30min；将分散均匀的混合物转移到聚四氟乙烯衬底的水热反应釜中并加热至180℃反应9h；待反应釜冷却至室温后，通过0.4μm的多孔滤膜用去离子水过滤后得到含有石墨烯量子点的混合溶液；然后将所得溶液装入2KD的透析袋中透析三天，每天早晚各换去离子水一次；最后将所得的石墨烯量子点水溶液冷冻干燥后得到黄色石墨烯量子点固体粉末。
实施例5
将3g膨胀石墨置于管式炉中，在氮气保护下升温至1000℃并保持7min；取80mL浓DMF放入250mL的烧杯中，在磁力搅拌下分别加入1.2g上述预处理的石墨与2.5g过硫酸铵，使两种固体粉末在DMF中混合均匀；搅拌40min后再200W以上超声处理40min；将分散均匀的混合物转移到聚四氟乙烯衬底的水热反应釜中并加热至190℃反应8h；待反应釜冷却至室温后，通过0.22μm的多孔滤膜用去离子水过滤后得到含有石墨烯量子点的混合溶液；然后将所得溶液装入1KD的透析袋中透析三天，每天换去离子水一次；最后将所得的石墨烯量子点水溶液冷冻干燥后得到黄色石墨烯量子点固体粉末。
Claims (6)
1.一种微爆法制备石墨烯量子点的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将膨胀石墨或200 ~ 325目的鳞片石墨进行高温煅烧，煅烧反应在至少一种惰性气体保护下进行，煅烧温度为800 ~ 1200 ℃、煅烧时间为5 ~ 10 min；
步骤2：将步骤1中得到的石墨与过硫酸铵在N,N-二甲基甲酰胺中混合；
步骤3：将步骤2中得到的混合物溶液搅拌后再进行超声分散，使其分散均匀；
步骤4：将步骤3中得到分散均匀的混合物转移到水热反应釜中进行反应，水热反应釜加热温度为160 ~ 190 ℃，加热时间为6 ~ 9h；
步骤5：将步骤4中得到的产物冷却至室温后，通过截留孔径为0.22 ~ 0.4 μm的多孔滤膜过滤掉碳基材料，得到含有石墨烯量子点的混合溶液；
步骤6：将步骤5中得到的含有石墨烯量子点的混合溶液在截留分子量为0.5 ~ 1 KD的透析袋中透析得到石墨烯量子点水溶液；
步骤7：将步骤6中得到的石墨烯量子点水溶液进行冷冻干燥得到石墨烯量子点。
2.如权利要求1所述的一种微爆法制备石墨烯量子点的方法，其特征在于，所述步骤3中的搅拌为磁力搅拌或机械搅拌，搅拌时间为不小于30 min。
3.如权利要求1所述的一种微爆法制备石墨烯量子点的方法，其特征在于，所述步骤3中的超声功率不小于200W，超声时间不小于30min。
4.如权利要求1所述的一种微爆法制备石墨烯量子点的方法，其特征在于，所述步骤5中所用的多孔滤膜截留孔径为0.22μm。
5.如权利要求1所述的一种微爆法制备石墨烯量子点的方法，其特征在于，所述步骤6中所用的透析袋截留分子量为1 KD 。
6.如权利要求1所述的一种微爆法制备石墨烯量子点的方法，其特征在于，所述步骤6中的透析时长为三天，每天换去离子水1次以上。
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