一种氮掺杂石墨烯量子点及其制备方法

摘要

本发明公开了一种氮掺杂石墨烯量子点及其制备方法，将前驱物芘与80?100ml发烟硝酸混合后，回流搅拌，将芘晶粒表面进行硝基功能化处理，取出反应物后过滤除酸后加入适量的NaOH调节PH值至7，采用300W超声波分散处理后转移至聚四氟乙烯罐中水热反应，自然冷却后取出反应物过滤透析后干燥得到石墨烯量子点；将石墨烯量子点与氨水经搅拌后充分混合均匀，转移至聚四氟乙烯罐中，进行高温高压水热反应，自然冷却后取出反应物经过过滤透析后得到具有优异光学性能的氮掺杂石墨烯量子点。本发明的合成过程步骤简单，产率高，成品率高，杂质少。本发明制备的石墨烯量子点，可稳定分散于水中，结构稳定，光学性能优异，表面富含基团。

权利要求

1.一种氮掺杂石墨烯量子点的制备方法，其特征在于，所述氮掺杂石墨烯量子点的制备方法以氨水做氮源，通过高温高压水热反应制备氮掺杂石墨烯量子点；所述氮掺杂石墨烯量子点的制备方法包括以下步骤：制备石墨烯量子点：将芘作前驱物，在低温条件下，控制原材料的配比，时间，温度以及工艺流程，将芘的表面进行硝化处理，然后在高温高压下进行水热反应脱去芘表面的硝基进而裁剪芘的六角环状结构，从而制备出石墨烯量子点；

制备氮掺杂石墨烯量子点：将所制备得到的石墨烯量子点与氨水经搅拌后充分混合均匀，转移至聚四氟乙烯罐中，进行水热反应，自然冷却后取出反应物经过过滤透析后得到氮掺杂石墨烯量子点。

2.如权利要求1所述的氮掺杂石墨烯量子点的制备方法，其特征在于，所述制备石墨烯量子点：将一定量的前驱物芘与80-100ml发烟硝酸混合后，回流搅拌，将芘晶粒表面进行硝基功能化处理，取出反应物后过滤除酸后加入适量的NaOH将PH值调节至7，采用300W超声波分散处理后转移至聚四氟乙烯罐中水热反应，待自然冷却后取出反应物过滤透析后在70℃下干燥得到表面富含基团的石墨烯量子点。

3.如权利要求1所述的氮掺杂石墨烯量子点的制备方法，其特征在于，所述氮掺杂石墨烯量子点的制备方法包括以下步骤：

1)称取石墨烯量子点0.1g，加入100ml去离子水，用超声波300W降解10min使石墨烯量子点充分溶解于去离子水中后缓慢添加100ml氨水后经磁子搅拌30min混合均匀；

2)将步骤1中的混合物转移至聚四氟乙烯罐中，在高温反应釜中维持180℃恒温水热反应24h；

3)待自然冷却后，取出步骤2中制备的反应物，用0.22μm微孔膜去除固体杂质后用

3500Da透析袋透析48h去除反应物中多余的离子；

4)取出步骤3)中制备的反应物，在70℃下蒸发烘干，最后得到氮掺杂石墨烯量子点。

4.一种如权利要求1所述氮掺杂石墨烯量子点的制备方法制备的氮掺杂石墨烯量子点。

5.一种如权利要求1所述氮掺杂石墨烯量子点的制备方法所制备的氮掺杂石墨烯量子点/P25 TiO2复合材料在光催化中的应用。

说明书

一种氮掺杂石墨烯量子点及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于石墨烯技术领域，尤其涉及一种氮掺杂石墨烯量子点及其制备方法。

背景技术

[0002] 自2004年英国曼彻斯特大学Geim等发现单层石墨烯以来，由于其独特优良的物理化学性质，石墨烯在微电子，功能材料，化学传感等研究领域都表现出广阔的应用前景。与石墨烯相比，石墨烯量子点表现出更强的量子限域效应和边界效应，此外，石墨烯量子点还表现出良好的生物兼容性，良好的水溶性，化学稳定性，低湮灭性，稳定的光学性能等，使其在光电器件，传感器，生物成像方面有着良好的应用前景。由于目前尚缺乏一种对石墨烯量子点进行有效的能级结构，光学性质调制的有效的技术手段，导致其在尚未在光电子领域取得广泛的应用。由于氮原子具有五个价电子，和碳原子有着相当的原子尺寸大小，已经被广泛应用于碳材料的化学掺杂。

[0003] 目前制备氮掺杂石墨烯量子点主要方法有水热法、有机合成法、化学剪切法以及电化学等方法，但是许多方法都无法避免原料获取困难，设备昂贵，操作麻烦耗时，工艺繁琐，成品率低，杂质较多等因素影响，从而限制了氮掺杂石墨烯量子点的广泛应用。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种氮掺杂石墨烯量子点及其制备方法，旨在解决目前制备氮掺杂石墨烯量子点主要方法存在的原料获取困难，设备昂贵，操作麻烦耗时，工艺繁琐，成品率低，杂质较多，限制了氮掺杂石墨烯量子点广泛应用的问题。

[0005] 本发明是这样实现的，一种以氨水(质量分数25-28％)做氮源，通过高温高压水热反应制备氮掺杂石墨烯量子点的制备方法，所述单晶石墨烯量子点的制备方法包括以下步骤：

[0006] 制备石墨烯量子点：将一定量的前驱物芘与80-100ml发烟硝酸混合后，回流搅拌，将芘晶粒表面进行硝基功能化处理，取出反应物后过滤除酸后加入适量的NaOH将PH值调节至7，采用300W超声波分散处理后转移至聚四氟乙烯罐中水热反应，待自然冷却后取出反应物过滤透析后在70℃下干燥得到表面富含基团并有优异光学性能的石墨烯量子点；

[0007] 制备具有优异光学性能的氮掺杂石墨烯量子点：将所制备得到的石墨烯量子点与氨水经搅拌后充分混合均匀，转移至聚四氟乙烯罐中，进行水热反应，自然冷却后取出反应物经过过滤透析后得到具有优异光学性能的氮掺杂石墨烯量子点。

[0008] 进一步，所述将一定量的前驱物芘与80-100ml发烟硝酸混合后，在80-100℃温度下回流搅拌。

[0009] 进一步，所述采用300W超声波分散处理后转移至聚四氟乙烯罐中，在180-200℃温度下水热反应10-12h。

[0010] 进一步，所述将所制备得到的石墨烯量子点与氨水经搅拌后充分混合均匀。

[0011] 进一步，所述转移至聚四氟乙烯罐中，在180-200℃下维持24h进行水热反应。

[0012] 进一步，所述氮掺杂石墨烯量子点的制备方法包括以下步骤：

[0013] 1)称取芘1g，发烟硝酸80ml缓慢搅拌搅拌均匀后，在80℃下回流搅拌12h，自然冷却后取出；

[0014] 2)将步骤1中制备的反应物取出，采用0.22μm微孔膜过滤除去废液，并用去离子水清洗过滤物数次；

[0015] 3)将步骤2中制备的反应物加入0.4gNaOH，置于300W超声分散1h，然后立即放入高温反应釜中，在180℃恒温反应12h；

[0016] 4)待自然冷却后，取出步骤3中制备的反应物，用0.22μm微孔膜去除固体杂质后用3500Da透析袋透析48h去除反应物中多余的离子；

[0017] 5)取出步骤4中制备的反应物，在70℃下蒸发烘干，最后得到石墨烯量子点。

[0018] 进一步，所述氮掺杂石墨烯量子点的制备方法包括以下步骤：

[0019] 1)称取石墨烯量子点0.1g，加入100ml去离子水，用超声波300W降解10min使石墨烯量子点充分溶解于去离子水中后缓慢添加100ml氨水后经磁子搅拌30min混合均匀；

[0020] 2)将步骤1中的混合物转移至聚四氟乙烯罐中，在高温反应釜中维持180℃恒温水热反应24h；

[0021] 3)待自然冷却后，取出步骤2中制备的反应物，用0.22μm微孔膜去除固体杂质后用3500Da透析袋透析48h去除反应物中多余的离子；

[0022] 4)取出步骤3中制备的反应物，在70℃下蒸发烘干，最后得到氮掺杂石墨烯量子点。

[0023] 本发明的另一目的在于提供一种所述氮掺杂石墨烯量子点的制备方法制备的氮掺杂石墨烯量子点，所述氮掺杂石墨烯量子点包括：

[0024] 本发明提供的制备方法合成过程步骤简单，杂质少同时原料获取简单。本发明获得的氮掺杂石墨烯量子点在生产工艺上较为简单可控，并且在制备过程中以氨水做氮源，避免了引入其它杂质离子；同时原料获取简单，对生产设备要求低，具有一定工业化生产要求；制备的氮掺杂石墨烯量子点平均尺寸集中在4-6nm且表面富含基团，可稳定分散于水中，结构稳定；光致发光激发峰集中于520nm，同时在365nm紫外光照射下发出明亮的绿色荧光，表现出优异的光学性能；根据氮掺杂石墨烯量子点所制备出的氮掺杂石墨烯量子点/P25TiO2复合材料在紫外光照射下，8分钟光催化效率可达近70％，表现出优异的光催化性能。

[0025] 本发明所制备出的氮掺杂石墨烯量子点具有良好的水溶性，光致发光特性，同时所制备出的氮掺杂石墨烯量子点/P25TiO2复合材料具有优异的光催化效果。

附图说明

[0026] 图1是本发明实施例提供的氮掺杂石墨烯量子点的制备方法流程图。

[0027] 图2是本发明实施例提供的实施例1制备的氮掺杂石墨烯量子点的透射电镜(TEM)照片。

[0028] 图3是本发明实施例提供的实施例1制备的氮掺杂石墨烯量子点的高倍透射电镜(HRTEM)照片。

[0029] 图4是本发明实施例提供的实施例2制备的氮掺杂石墨烯量子点的XPS能谱图。

[0030] 图5是本发明实施例提供的实施例2制备的氮掺杂石墨烯量子点元素含量统计图。

[0031] 图6是本发明实施例提供的实施例2制备的氮掺杂石墨烯量子点与石墨烯量子点荧光光谱对照图。

[0032] 图7是本发明实施例提供的实施例2制备的氮掺杂石墨烯量子点的吸收谱。

[0033] 图8是本发明实施例提供的实施例2制备的氮掺杂石墨烯量子点在365nm紫外照射下发光图。

[0034] 图9为本发明优选实施例3制备的氮掺杂石墨烯量子点/P25TiO2复合材料在汞灯下光催化甲基橙溶液光催化效率图。

具体实施方式

[0035] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0036] 下面结合附图对本发明的应用原理作进一步描述。

[0037] 如图1所示，本发明实施例的氮掺杂石墨烯量子点的制备方法包括以下步骤：

[0038] S101：制备石墨烯量子点：将一定量的前驱物芘与80-100ml发烟硝酸混合后，在80-100℃温度下回流搅拌，将芘晶粒表面进行硝基功能化处理，取出反应物后过滤除酸后加入适量的NaOH调节PH值至7，采用300W超声波分散处理后转移至聚四氟乙烯罐中，在180-
200℃温度下水热反应10-12h，待自然冷却后取出反应物过滤透析后在70℃下干燥得到具有优异光学性能的石墨烯量子点；

[0039] S102：制备具有优异光学性能的氮掺杂石墨烯量子点：将所制备得到的石墨烯量子点与氨水经搅拌后充分混合均匀，转移至聚四氟乙烯罐中，在180-200℃下维持24h进行水热反应，自然冷却后取出反应物经过滤透析后得到具有表面富含基团并具有优异光学性能的氮掺杂石墨烯量子点。

[0040] 下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。

[0041] 实施例1:

[0042] 1)称取芘1g，发烟硝酸80ml缓慢搅拌搅拌均匀后，在80℃下回流搅拌12h，自然冷却后取出；

[0043] 2)将步骤1中制备的反应物取出，采用0.22μm微孔膜过滤除去废液，并用去离子水清洗过滤物数次；

[0044] 3)将步骤2中制备的反应物加入0.4gNaOH，置于300W超声分散1h，然后立即放入高温反应釜中，在180℃恒温反应12h；

[0045] 4)待自然冷却后，取出步骤3中制备的反应物，用0.22μm微孔膜去除固体杂质后用3500Da透析袋透析48h去除反应物中多余的离子；

[0046] 5)取出步骤4中制备的反应物，在70℃下蒸发烘干，最后得到石墨烯量子点。

[0047] 实施例2:

[0048] 1)称取石墨烯量子点0.1g，加入100ml去离子水，用超声波300W降解10min使石墨烯量子点充分溶解于去离子水中后缓慢添加100ml氨水后经磁子搅拌30min混合均匀；

[0049] 2)将步骤1中的混合物转移至聚四氟乙烯罐中，在高温反应釜中维持180℃恒温水热反应24h；

[0050] 3)待自然冷却后，取出步骤2中制备的反应物，用0.22μm微孔膜去除固体杂质后用3500Da透析袋透析48h去除反应物中多余的离子；

[0051] 4)取出步骤3中制备的反应物，在70℃下蒸发烘干，最后得到氮掺杂石墨烯量子点。

[0052] 实施例3

[0053] 本发明优选实施例子2制备的氮掺杂石墨烯量子点/P25TiO2复合材料在光催化中的应用：

[0054] 1)称取称取实施例子2所制备的氮掺杂石墨烯量子点0.1g，P25TiO21g加入200ml去离子水，磁子搅拌30min使两者充分混合均匀；

[0055] 2)将步骤1中的混合物转移至聚四氟乙烯罐中，在高温反应釜中维持180℃恒温水热反应24h；

[0056] 3)待自然冷却后，取出步骤2中制备的反应物，离心水洗3次后，在70℃下干燥得到氮掺杂石墨烯量子点/P25TiO2复合材料；

[0057] 4)取步骤3所制备的氮掺杂石墨烯量子点/P25TiO2复合材料20mg，加入至40ml配制好的20ppm的甲基橙溶液中，超声降解30min使其充分分散于甲基橙溶液中后放置于光化学反应仪中，在300W汞灯光照下，每1min取样一次通过紫外分光光度计观察氮掺杂石墨烯量子点/P25TiO2复合材料光催化效率。同时将20mg P25TiO2，石墨烯量子点/P25TiO2复合材料，氮掺杂石墨烯量子点加入40ml 20ppm甲基橙溶液中作参比样。

[0058] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。