氧化石墨烯量子点粉体的制备方法

摘要

本发明提供一种氧化石墨烯量子点粉体的制备方法，至少包括：提供氧化石墨烯量子点水溶液；在所述氧化石墨烯量子点水溶液中加入铵盐，以形成所述氧化石墨烯量子点和铵盐的混合溶液；向所述氧化石墨烯量子点和铵盐的混合溶液中加入非质子极性溶剂，以得到所述氧化石墨烯量子点和铵盐的混合沉淀；热处理所述氧化石墨烯量子点和铵盐的混合沉淀，以去除所述铵盐，并得到氧化石墨烯量子点粉体。该氧化石墨烯量子点粉体的制备方法适用性广，可从各种方法制备得到的氧化石墨烯水溶液快速获得蓬松的氧化石墨烯量子点粉体，且操作工艺简单、耗时短，适合氧化石墨烯量子点粉体的大规模生产。

权利要求

1.一种氧化石墨烯量子点粉体的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨烯量子点粉体的制备方法至少包括：提供氧化石墨烯量子点水溶液；

在所述氧化石墨烯量子点水溶液中加入铵盐，以形成所述氧化石墨烯量子点和铵盐的混合溶液；

向所述氧化石墨烯量子点和铵盐的混合溶液中加入非质子极性溶剂，以得到所述氧化石墨烯量子点和铵盐的混合沉淀；

热处理所述氧化石墨烯量子点和铵盐的混合沉淀，以去除所述铵盐，并得到氧化石墨烯量子点粉体，其中，所述铵盐为氯化铵或者溴化铵。

2.如权利要求1所述的氧化石墨烯量子点粉体的制备方法，其特征在于：在向所述混合溶液中加入非质子极性溶剂之后，在所述热处理所述氧化石墨烯量子点和铵盐的混合沉淀之前，还包括搅拌所述混合溶液与非极性质子溶剂，然后进行静置的步骤。

3.如权利要求1所述的氧化石墨烯量子点粉体的制备方法，其特征在于：所述非质子极性溶剂为乙醇、甲醇、异丙醇、二甲基亚砜、N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺或N-甲基吡咯烷酮。

4.如权利要求1所述的氧化石墨烯量子点粉体的制备方法，其特征在于：所述铵盐与所述氧化石墨烯量子点水溶液的质量比为10:1～100:1。

5.如权利要求1所述的氧化石墨烯量子点粉体的制备方法，其特征在于：所述非质子极性溶剂与所述氧化石墨烯量子点水溶液的体积比为1:1～1:20。

6.如权利要求1所述的氧化石墨烯量子点粉体的制备方法，其特征在于：所述热处理的温度为100℃～300℃，进行时间为1小时～12小时。

7.如权利要求1所述的氧化石墨烯量子点粉体的制备方法，其特征在于：在所述氧化石墨烯量子点水溶液中加入铵盐的步骤中或在向所述混合溶液中加入非质子极性溶剂的步骤中还包括进行混合的步骤，所述混合的方式为震荡、搅拌或超声。

8.如权利要求1所述的氧化石墨烯量子点粉体的制备方法，其特征在于：所述石墨烯量子点水溶液为强酸氧化法、Brodie法、Staudenmaier法或Hummers法制得。

9.如权利要求1所述的氧化石墨烯量子点粉体的制备方法，其特征在于：所述石墨烯量子点水溶液中石墨烯量子点的横向尺寸小于100nm，且所述石墨烯量子点中碳与氧原子比为2:1～20:1。

说明书

氧化石墨烯量子点粉体的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种无机新材料技术领域，特别是涉及一种氧化石墨烯量子点粉体的制备方法。

背景技术

[0002] 氧化石墨烯量子点为横向尺寸小于100nm的零维石墨烯，是一种新兴的纳米碳材料。由于氧化石墨烯量子点具有非常显著的边缘效应和量子限域效应，突破了大尺寸石墨烯材料的零带隙局限，因而表现出优异的光致发光和电学性能。而且，与传统碳量子点和稀土金属氧化物量子点相比，氧化石墨烯量子点还具有良好的水溶性、丰富的化学基团可供化学修饰和功能化、可调控的荧光光谱、较低的细胞毒性以及优异的生物相容性，并可以方便地转化为石墨烯量子点，这些性能优点使得氧化石墨烯量子点在光电材料和器件、电催化、电化学生物传感及生物成像等诸多领域具有十分广泛的应用前景。

[0003] 目前，以石墨烯、氧化石墨烯或氧化石墨为原料，采用二次氧化法制备氧化石墨烯量子点具有相对较高的产率，有望推动氧化石墨烯量子点规模化生产，如改进的Brodie法、改进的Staudenmaier法或改进的Hummers法等湿化学方法。

[0004] 但是在二次氧化法制备氧化石墨烯量子点的一般工艺中，原料经氧化、过滤和透析处理后，通常得到的是氧化石墨烯量子点的水溶液。可是，从氧化石墨烯量子点的商业化的角度来说，氧化石墨烯量子点粉体在储存、包装和运输上相对于量子点水溶液具有显著的优势。因此，除去水溶剂同时保持石墨烯量子点的可散性非常重要。

[0005] 但是直接通过加热蒸发的方法去除氧化石墨烯量子点溶液中的水分无法得到蓬松、可分散性好的氧化石墨烯量子点粉体，一般较多地采用冷冻干燥来实现。然而，冷冻干燥一般需要在超低温、真空条件下进行，对设备要求较高，且干燥时间长，效率较低，不适合石墨烯量子点的大规模制备。因此，研究和开发简单、高效的氧化石墨烯量子点提取方法将进一步推动氧化石墨烯量子点的产业化和应用推广。

发明内容

[0006] 鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种氧化石墨烯量子点粉体的制备方法，用于解决现有技术中从氧化石墨烯量子水溶液中得到分散性好的氧化石墨烯量子点粉体技术难度和操作难度较高的问题。

[0007] 为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种氧化石墨烯量子点粉体的制备方法，包括：

[0008] 提供氧化石墨烯量子点水溶液；

[0009] 在所述氧化石墨烯量子点水溶液中加入铵盐，以形成所述氧化石墨烯量子点和铵盐的混合溶液；

[0010] 向所述氧化石墨烯量子点和铵盐的混合溶液中加入非质子极性溶剂，以得到所述氧化石墨烯量子点和铵盐的混合沉淀；

[0011] 热处理所述氧化石墨烯量子点和铵盐的混合沉淀，以去除所述铵盐，并得到氧化石墨烯量子点粉体。

[0012] 优选地，在向所述混合溶液中加入非质子极性溶剂之后，在所述热处理所述氧化石墨烯量子点和铵盐的混合沉淀之前，还包括搅拌所述混合溶液与非极性质子溶剂，然后进行静置的步骤。

[0013] 优选地，所述铵盐为氯化铵或者溴化铵。

[0014] 优选地，所述非质子极性溶剂为乙醇、甲醇、异丙醇、二甲基亚砜、N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺或N-甲基吡咯烷酮。

[0015] 优选地，所述铵盐与所述氧化石墨烯量子点水溶液的质量比为10:1～100:1。

[0016] 优选地，所述非质子极性溶剂与所述氧化石墨烯量子点水溶液的体积比为1:1～1:20。

[0017] 优选地，所述热处理的温度为100℃～300℃，进行时间为1小时～12小时。

[0018] 优选地，在所述氧化石墨烯量子点水溶液中加入铵盐的步骤中或在向所述混合溶液中加入非质子极性溶剂的步骤中还包括进行混合的步骤，所述混合的方式为震荡、搅拌或超声。

[0019] 优选地，所述石墨烯量子点水溶液为强酸氧化法、Brodie法、Staudenmaier法或Hummers法制得。

[0020] 优选地，所述石墨烯量子点水溶液中石墨烯量子点的横向尺寸小于100nm，且所述石墨烯量子点中碳与氧原子比为2:1～20:1。

[0021] 如上所述，本发明的氧化石墨烯量子点粉体的制备方法，具有以下有益效果：

[0022] 该提取方法适用性广，可从各种方法制备得到的氧化石墨烯水溶液快速获得蓬松的氧化石墨烯量子点粉体，且操作工艺简单，耗时短，适合氧化石墨烯量子点粉体的大规模生产。

附图说明

[0023] 图1显示为本发明提供的氧化石墨烯量子点粉体的制备方法的示意图。

[0024] 图2显示为本发明的提供的氧化石墨烯量子点粉体的制备方法得到的黑色氧化石墨烯量子点粉体示意图。

[0025] 元件标号说明

[0026] S10～S40 步骤

具体实施方式

[0027] 本发明的目的在于提供一种从水溶液中提取氧化石墨烯量子点的方法，主要利用氧化石墨烯量子点与铵盐在水-极性非质子混合溶液中的共沉淀，首先制备得到氧化石墨烯量子点-铵盐混合沉淀物，然后经低温热处理除去混合沉淀物中的铵盐，获得蓬松的氧化石墨烯量子点粉体，并可再次稳定分散在去离子水中。

[0028] 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

[0029] 请参阅图1至图2。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

[0030] 具体的，如图1所示，所述氧化石墨烯量子点粉体的制备方法至少包括：

[0031] 首先，执行步骤S10：提供氧化石墨烯量子点水溶液；

[0032] 所述氧化石墨烯量子点水溶液可以为任何制备方式得到的石墨烯量子点水溶液，比如现有的强酸氧化法、Brodie法、Staudenmaier法或Hummers法。

[0033] 并且，在本实施例中，所述石墨烯量子点水溶液中氧化石墨烯量子点的横向尺寸小于100nm，且所述氧化石墨烯量子点中碳与氧原子比为2:1～20:1。

[0034] 接下来，执行步骤S20：在所述氧化石墨烯量子点水溶液中加入铵盐，以形成所述氧化石墨烯量子点和铵盐的混合溶液；

[0035] 本实施例中，优选的，所述铵盐为氯化铵或者溴化铵，这两种铵盐在后续工艺中与氧化石墨烯量子点形成的混合物中不会有水生成。

[0036] 如本步骤中，采用其他铵盐如碳酸氢铵或碳酸铵，在后续工艺中，与碳酸氢铵或碳酸铵与石墨烯量子点形成的混合物中会有水生成，使得形成的氧化石墨烯量子点粉体团聚严重，不蓬松。

[0037] 另外，本步骤中，加入铵盐后，还包括将所述氧化石墨烯量子点水溶液和加入的铵盐进行混合的步骤，以使得所述铵盐能够被充分的、均匀的混合到所述氧化石墨烯量子点水溶液中，其中，所述混合的方式为震荡、搅拌或超声分散。

[0038] 具体的，本步骤中，为了使得氧化石墨量子点能够完全从水溶液中沉淀出来，需要足量的铵盐，但是铵盐太多，会造成浪费，而且后面热处理时间也会延长。优选的，加入的所述铵盐与所述氧化石墨烯量子点水溶液的质量比为10:1～100:1。

[0039] 接下来，执行步骤S30：向所述氧化石墨烯量子点和铵盐的混合溶液中加入非质子极性溶剂，以得到所述氧化石墨烯量子点和铵盐的混合沉淀；

[0040] 本步骤中，在加入非质子极性溶剂后，还包括搅拌所述混合溶液与非极性质子溶剂，然后进行静置的步骤。

[0041] 其中，所述非质子极性溶剂为乙醇、甲醇、异丙醇、二甲基亚砜、N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺或N-甲基吡咯烷酮。

[0042] 非质子极性溶剂要足够多，以使得铵盐和量子点沉淀完全，太多又造成溶剂浪费。优选的，所述非质子极性溶剂与所述氧化石墨烯量子点水溶液的体积比为1:1～1:20。

[0043] 接下来，执行步骤S40：热处理所述氧化石墨烯量子点和铵盐的混合沉淀，以去除所述铵盐，并得到氧化石墨烯量子点粉体。

[0044] 所述热处理的温度为100℃～300℃，进行时间为1小时～12小时。

[0045] 实施例1

[0046] 取50mL，浓度为10mg/mL氧化石墨烯量子点水溶液，所述氧化石墨烯量子点水溶液为利用改进的Brodie法二次氧化制备得到。

[0047] 向其中加入5g氯化铵，搅拌使氯化铵溶解；

[0048] 然后加入非质子极性溶剂，所述非质子极性溶剂为乙醇，100mL；

[0049] 搅拌5min后静置10min，得到氯化铵和氧化石墨烯量子点混合的灰黑色沉淀；

[0050] 然后去除上层清液，得到所述灰黑色沉淀，即为氯化铵和氧化石墨烯量子点的固体混合沉淀物；

[0051] 将所述固体混合沉淀物放入热处理炉中，设置温度为200℃，保温12h，得到如图2所示的蓬松黑色氧化石墨烯量子点粉体。

[0052] 通过对上述工艺得到的蓬松黑色氧化石墨烯量子点粉体进行XPS分析，得到所述蓬松黑色氧化石墨烯量子点粉体中主要元素C、O和N等的含量，如下表表一所示：

[0053]

[0054] 表一：上述工艺得到的蓬松黑色氧化石墨烯量子点粉体中主要元素C、O和N等的含量。

[0055] 可以看到，C和O的原子百分含量比2.7，N含量为11.84%。所得氧化石墨烯量子点粉体可稳定分散在去离子水中。

[0056] 实施例2

[0057] 取50mL，浓度为10mg/mL氧化石墨烯量子点水溶液，所述氧化石墨烯量子点水溶液为利用改进的Staudenmaier法二次氧化制备得到；

[0058] 向其中加入10g溴化铵，搅拌使溴化铵溶解;

[0059] 然后加入200mL乙醇；

[0060] 搅拌5min后静置10min，得到溴化铵和氧化石墨烯量子点混合的灰黑色沉淀;

[0061] 去除上层清液，得到所述灰黑色沉淀，即为氯化铵和氧化石墨烯量子点的固体混合沉淀物；

[0062] 将所述固体混合沉淀物放入热处理炉中，设置温度为150℃，保温12h，得到黑色蓬松氧化石墨烯量子点粉体，并可再次稳定分散在去离子水中。

[0063] 实施例3

[0064] 取50mL，浓度为20mg/mL的氧化石墨烯量子点水溶液，所述氧化石墨烯量子点水溶液为利用改进的Hummers法二次氧化制备得到；

[0065] 向其中加入20g氯化铵，搅拌使氯化铵溶解；

[0066] 然后加入100mL异丙醇；

[0067] 搅拌5min后静置10min，得到氯化铵和氧化石墨烯量子点混合的灰黑色沉淀；

[0068] 去除上层清液，得到固体混合沉淀物；

[0069] 取上述固体混合沉淀物在200℃热处理炉中保温12h，得到黑色蓬松氧化石墨烯量子点粉体，并可再次稳定分散在去离子水中。

[0070] 实施例4

[0071] 取50mL，浓度为20mg/mL的氧化石墨烯量子点水溶液，所述氧化石墨烯量子点水溶液为利用改进的Hummers法二次氧化制备得到；

[0072] 向其中加入50mg氯化铵，搅拌使氯化铵溶解；

[0073] 然后加入400mL二甲亚砜；

[0074] 搅拌5min后静置10min，得到氯化铵和氧化石墨烯量子点混合的灰黑色沉淀；

[0075] 去除上层清液，得到固体混合沉淀物；

[0076] 取上述固体混合沉淀物在250℃热处理炉中保温12h，得到黑色蓬松氧化石墨烯量子点粉体，并可再次稳定分散在去离子水中。

[0077] 所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

[0078] 上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。