本發(fā)明屬于納米材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到一種高分散的氧化石墨烯量子點的制備方法。
背景技術(shù)：
2004年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家成功從石墨中分離出石墨烯，由于石墨烯具有優(yōu)良的電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)、光學(xué)特性在納米技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。然而，石墨烯是零能帶隙的半導(dǎo)體，沒有能帶隙的石墨烯觀察不到熒光性能，這就限制其在電子和光電子領(lǐng)域的應(yīng)用，但是把石墨烯的尺寸限制在10nm以下，利用量子局域效應(yīng)和邊效應(yīng)打開能帶隙，會使得這種小尺寸的石墨烯(即石墨烯量子點)被賦予新的物理性質(zhì)。石墨烯量子點是準(zhǔn)零維的納米材料，不僅具有石墨烯的硬度強(qiáng)、導(dǎo)熱系數(shù)高、電子遷移率快、電阻率低等優(yōu)勢外，當(dāng)其尺寸小于10nm時，還因為量子限域效應(yīng)和邊界效應(yīng)而具有新的物理性質(zhì)。所以石墨烯量子點將為電子學(xué)、光電學(xué)和電磁學(xué)領(lǐng)域帶來革命性的變化。應(yīng)用于光電材料與器件制備、生物熒光標(biāo)記、催化劑載體和復(fù)合微粒系統(tǒng)等方面。
目前石墨烯量子點的制備方法通常包括：微波輔助法、水熱法、電化學(xué)、刻蝕等方法。但是，利用刻蝕方法制備所得的石墨烯量子點通常尺寸大于20nm且價格昂貴不利用量產(chǎn)，利用水熱法或電化學(xué)法制備石墨烯量子點雖然方法簡便，但是所用原料為石墨、碳納米管、碳纖維、富勒烯等，原材料價格相對要貴。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺點，提供一種將煤粉(煉焦煤、褐煤、無煙煤、泥煤、煙煤中的一種或幾種)用氧化劑直接氧化制備高分散的氧化石墨烯量子點的方法。本發(fā)明采用煉焦煤、褐煤、無煙煤、泥煤、煙煤中的一種或幾種為原料，通過簡單可控的濕化學(xué)氧化法制備出氧化石墨烯量子點，且在制備過程中采用活性炭堿性廢液將得到的酸性溶液中和至中性，通過此方法制備氧化石墨烯量子點成本低、工藝簡單、綠色環(huán)保，所得的石墨烯量子點尺寸可控，粒徑均一，所得的氧化石墨烯量子點具有優(yōu)良的的熒光效應(yīng)、單分散性強(qiáng)和良好的水溶性等特性，在光電材料與器件制備、生物映像、顯示屏、藥物載體、太陽能電池、防偽涂層、新型半導(dǎo)體器體等方面有非常大的應(yīng)用前景。
一種高分散的氧化石墨烯量子點的制備方法，其特征在于包括如下步驟：
1.按照一定的質(zhì)量體積比將煤粉加入到氧化性酸溶液中，進(jìn)行攪拌分散，得到混合溶液A；
2.將步驟1中制備的混合溶液A在真空條件下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，得到殘余固體；
3.將步驟2中制備的殘余固體按照一定的質(zhì)量體積比加入到去離子水中，并混合均勻，得到混合溶液B；
4.往混合溶液B中加入適量活性炭堿性廢液進(jìn)行中和，直至溶液pH達(dá)到7，得混合溶液C；
5.將步驟4中制備的混合溶液C先使用截留分子量為1千道爾頓的中空纖維過濾器過濾，得到過濾液1，然后將過濾液1使用截留分子量為3千道爾頓中空纖維過濾器過濾，得到過濾液2；
6.將步驟5中制備的過濾液2進(jìn)行冷凍干燥得到高分散的氧化石墨烯量子點。
步驟1中所述的煤粉為煉焦煤、褐煤、無煙煤、泥煤、煙煤中的一種或幾種，其中煤粉的平均粒徑大小為1～1000μm；
步驟1中所述的氧化性酸為高錳酸、高錳酸鉀、濃硫酸、硝酸、高氯酸等的一種或幾種；
步驟1中所述的煤粉與氧化性酸的質(zhì)量體積比為5～15g∶90～250ml；
步驟1中所述的攪拌的溫度為100～250℃，攪拌時間為12～24h；
步驟2中的所述的真空條件為-0.1MPa，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)的溫度為60～100℃；
步驟3中所述的殘余固體與去離子水的質(zhì)量體積比為5～15g∶500～1000ml；
步驟4中所述的活性炭堿性廢液，其pH值在10～14之間；
步驟5中所述的中空纖維過濾器的膜為聚醚砜膜、三醋酸纖維素膜、混合纖維素酯膜中的一種，膜面積為200～400cm2，膜長30～70cm，纖維內(nèi)徑0.05～1mm；
步驟6中所述的冷凍干燥溫度為-50～80℃、真空度為1～20Pa；
步驟6中得到的高分散的氧化石墨烯量子點層數(shù)為1～5層，尺寸大小為1～30nm。
本發(fā)明采用上述技術(shù)方案后，主要有以下效果：
1.本發(fā)明所采用的煤粉資源豐富，價格低廉，降低了石墨烯量子點的生產(chǎn)成本。
2.本發(fā)明采用化學(xué)氧化和中空纖維過濾等工序，工藝簡單，操作方便，生產(chǎn)效率高，有利于實現(xiàn)大規(guī)?；a(chǎn)，便于推廣應(yīng)用；
3.本發(fā)明方法在生產(chǎn)過程中采用活性炭堿性廢液中和酸溶液，實現(xiàn)廢液的回收利用，降低了生產(chǎn)成本，生產(chǎn)工藝綠色環(huán)保。
本發(fā)明提供的高分散的氧化石墨烯量子點的制備方法，其合成工藝簡單、成本低，原料廉價易得，制備的氧化石墨烯量子點的單分散性強(qiáng)、粒徑小、水溶性好以及具有強(qiáng)的熒光性能。在光電材料與器件制備、生物映像、顯示屏、藥物載體、太陽能電池、防偽涂層、新型半導(dǎo)體器體等方面有非常大的應(yīng)用前景。
具體實施方式
下面結(jié)合具體實施方式，進(jìn)一步說明本發(fā)明。
實施例1
一種高分散的氧化石墨烯量子點制備方法，其中：
(1)取煤粉加入氧化性酸溶液中，按照煤粉∶氧化性酸的比例為5g∶90ml的比例配置在100℃下持續(xù)攪拌24h，得到混合溶液A；
(2)將步驟(1)中制備的混合溶液在60℃、-0.1MPa真空條件下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，得到殘余固體；
(3)往步驟(2)中制備的殘余固體中加入去離子水，按照殘余固體∶去離子水比例為5g∶500ml配置，混合均勻得到混合溶液B；
(4)往步驟(3)中制備的混合溶液中加入適量pH為10的活性炭堿性廢液進(jìn)行中和，直至溶液pH達(dá)到7，得到混合溶液C；
(5)將步驟(4)中制備的混合溶液先使用截留分子量為1千道爾頓的中空纖維過濾器過濾得到過濾液1，然后將所得過濾液1使用截留分子量為3千道爾頓的中空纖維過濾器過濾得到過濾液2，中空纖維過濾器的膜為聚醚砜膜，膜面積為400cm2，膜長70cm，纖維內(nèi)徑1mm；
(6)將步驟(5)中的過濾液2在-80℃、10Pa的條件下冷凍干燥得到高分散的氧化石墨烯量子點。
實施例2
一種高分散的氧化石墨烯量子點制備方法，同實施案例1，其中：
步驟(1)中所述的煤粉為煙煤，所述的氧化性酸為硝酸，所述溶液A按照煤粉∶氧化性酸的比例為10g∶150ml配置，所述的攪拌溫度為100℃，攪拌時間為12h；
步驟(2)中所述的旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)的溫度為60℃；
步驟(3)中所述溶液B按照殘余固體∶去離子水的比例為10g∶750ml配置。
步驟(4)中所述的活性炭堿性廢液pH值為11；
步驟(5)中所述的中空纖維過濾器的膜為聚醚砜膜，膜面積為200cm2，膜長30cm，纖維內(nèi)徑0.05mm；
步驟(6)中所述的冷凍干燥溫度為-80℃，真空度為10Pa。
實施例3
一種高分散的氧化石墨烯量子點制備方法，同實施案例1，其中：
步驟(1)中所述的煤粉為煉焦煤，所述的氧化性酸為濃硫酸，所述溶液A按照煤粉∶氧化性酸的比例為15g∶250ml配置，所述的攪拌溫度為150℃，攪拌時間為18h；
步驟(2)中所述的旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)的溫度為80℃；
步驟(3)中所述溶液B按照殘余固體∶去離子水的比例為15g∶1000ml配置。
步驟(4)中所述的活性炭堿性廢液pH值為12；
步驟(5)中所述的中空纖維過濾器的膜為聚醚砜膜，膜面積為300cm2，膜長50cm，纖維內(nèi)徑0.5mm；
步驟(6)中所述的冷凍干燥溫度為-50℃，真空度為1Pa。
實施例4
一種高分散的氧化石墨烯量子點制備方法，同實施案例1，其中：
步驟(1)中所述的煤粉為無煙煤，所述的氧化性酸為高氯酸，，所述溶液A按照煤粉∶氧化性酸的比例為10g∶150ml配置，所述的攪拌溫度為200℃，攪拌時間為12h；
步驟(2)中所述的旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)的溫度為100℃；
步驟(3)中所述溶液B按照殘余固體∶去離子水的比例為10g∶750ml配置。
步驟(4)中所述的活性炭堿性廢液pH值為13；
步驟(5)中所述的中空纖維過濾器的膜為聚醚砜膜，膜面積為400cm2，膜長70cm，纖維內(nèi)徑1mm；
步驟(6)中所述的冷凍干燥溫度為-65℃，真空度為15Pa。
實施例5
一種高分散的氧化石墨烯量子點制備方法，同實施案例1，其中：
步驟(1)中所述的煤粉為泥煤，所述的氧化性酸為高錳酸，所述溶液A按照煤粉∶氧化性酸的比例為5g∶90ml配置，所述的攪拌溫度為100℃，攪拌時間為12h；
步驟(2)中所述的旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)的溫度為80℃；
步驟(3)中所述溶液B按照殘余固體∶去離子水的比例為5g∶500ml配置。
步驟(4)中所述的活性炭堿性廢液pH值為14；
步驟(5)中所述的中空纖維過濾器的膜為三醋酸纖維素膜，膜面積為300cm2，膜長50cm，纖維內(nèi)徑0.5mm；
步驟(6)中所述的冷凍干燥溫度為-75℃，真空度為20Pa。
實施例6
一種高分散的氧化石墨烯量子點制備方法，同實施案例1，其中：
步驟(1)中所述的煤粉為褐煤，所述的氧化性酸為高錳酸鉀，所述溶液A按照煤粉∶氧化性酸的比例為10g∶150ml配置，所述的攪拌溫度為150℃，攪拌時間為24h；
步驟(2)中所述的旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)的溫度為100℃；
步驟(3)中所述溶液B按照殘余固體∶去離子水的比例為10g∶750ml配置；
步驟(4)中所述的活性炭堿性廢液pH值為12；
步驟(5)中所述的中空纖維過濾器的膜為三醋酸纖維素膜，膜面積為400cm2，膜長70cm，纖維內(nèi)徑1mm；
步驟(6)中所述的冷凍干燥溫度為-50℃，真空度為10Pa。
實施例7
一種高分散的氧化石墨烯量子點制備方法，同實施案例1，其中：
步驟(1)中所述的煤粉為煉焦煤和煙煤的混合物，所述的氧化性酸為硝酸和濃硫酸混合液；所述溶液A按照煤粉∶氧化性酸的比例為10g∶150ml配置，所述的攪拌溫度為150℃，攪拌時間為12h；
步驟(2)中所述的旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)的溫度為60℃；
步驟(3)中所述溶液B按照殘余固體∶去離子水的比例為10g∶750ml配置；
步驟(4)中所述的活性炭堿性廢液pH值為13；
步驟(5)中所述的中空纖維過濾器的膜為混合纖維素酯膜，膜面積為300cm2，膜長50cm，纖維內(nèi)徑0.5mm；
步驟(6)中所述的冷凍干燥溫度為-50℃，真空度為20Pa。
實施例8
一種高分散的氧化石墨烯量子點制備方法，同實施案例1，其中：
步驟(1)中所述的煤粉為煉焦煤、褐煤和無煙煤的混合物，所述的氧化性酸為高錳酸鉀和濃硫酸的混合溶液，所述溶液A按照煤粉∶氧化性酸的比例為15g∶250ml配置，所述的攪拌溫度為150℃，攪拌時間為18h；
步驟(2)中所述的旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)的溫度為100℃；
步驟(3)中所述溶液B按照殘余固體∶去離子水的比例為15g∶1000ml配置；
步驟(4)中所述的活性炭堿性廢液pH值為12；
步驟(5)中所述的中空纖維過濾器的膜為混合纖維素酯膜，膜面積為400cm2，膜長70cm，纖維內(nèi)徑1mm；
步驟(6)中所述的冷凍干燥溫度為-50℃，真空度為1Pa。
實施例9
一種高分散的氧化石墨烯量子點制備方法，同實施案例1，其中：
步驟(1)中所述的煤粉為泥煤和煙煤的混合物，所述的氧化性酸為硝酸和濃硫酸，所述溶液A按照煤粉∶氧化性酸的比例為10g∶150ml配置，所述的攪拌溫度為150℃，攪拌時間為18h；
步驟(2)中所述的旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)的溫度為80℃；
步驟(3)中所述溶液B按照殘余固體∶去離子水的比例為10g∶750ml配置；
步驟(4)中所述的活性炭堿性廢液pH值為10；
步驟(5)中所述的中空纖維過濾器的膜為混合纖維素酯膜，膜面積為200cm2，膜長30cm，纖維內(nèi)徑0.05mm；
步驟(6)中所述的冷凍干燥溫度為-80℃，真空度為1Pa。