氟摻雜石墨烯量子點及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及光電子領域，尤其是一種摻雜異質原子的石墨烯量子點及其制備方法。
【背景技術】
[0002]石墨烯量子點作為一種新型碳基材料，由于其擁有一系列新穎的特性，進年來受到人們的廣泛關注和研究，已經成為凝聚態(tài)物理、光電信息和材料科學等領域的研究前沿。
[0003]石墨稀量子點可以認為是一些納米尺度的單層或少層石墨稀碎片，其繼承了石墨烯良好的生物相容性、優(yōu)異的化學惰性以及無毒性質，同時還具有比石墨烯更大的比表面積、更好的表面嫁接性，可以通過共軛結合引入較多的官能團，使其成為費米零帶隙和光致發(fā)光半導體材料。
[0004]通過對石墨烯量子點進行異質原子摻雜，可以有效地調制其能帶，改變其光電子性能。異質原子的引入，可以使石墨烯量子點成為P型或η型摻雜體系，應用到光電子器件材料中。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供氟摻雜石墨烯量子點及其制備方法，通過異質氟原子的摻雜，來有效地調制石墨烯量子點的帶隙，從而優(yōu)化石墨烯量子點光電性能。
[0006]本發(fā)明公開了氟摻雜石墨烯量子點及其制備方法:
氟摻雜石墨烯量子點，其特征在于通過摻雜異質氟原子的方式形成一種新的石墨烯量子點改性材料，改變了石墨烯量子點的結構，對其進行了表面修飾，增加了含氟官能團，形成了 η型摻雜體系。氟摻雜石墨烯量子點的粒徑尺寸分布在50 nm以下，其作為石墨烯量子點的一種衍生材料，氟原子的摻雜，打開了石墨烯的這種零帶隙結構，增加了額外的氟原子能級，使外層電子躍迀具有了不同的方式，從而改善了石墨烯量子點的光電性能。這暗示了氟摻雜石墨烯量子點在光轉換材料和光電子器件中潛在的應用。
[0007]制備氟摻雜石墨烯量子點的方法，包括高溫煅燒、水熱合成反應、超聲波液相剝離等步驟，其特征在于具體如下:
(1)采用高溫煅燒法，在800?1000°C高溫下使一定量的脫脂棉完全碳化后，進行充分研磨，得到黑色絮狀的微米級碳纖維；
(2)采用水熱合成反應法，取制備得到的碳纖維與氫氟酸在高壓反應釜中進行反應，得到氟摻雜碳纖維；
(3)采用超聲液相剝離法，往制備得到的氟摻雜碳纖維中加入分散劑，超聲處理后，進行離心分離，移取上層灰色溶液，對溶劑蒸干后即可收集得到納米級氟摻雜石墨烯量子點粉體。
[0008]步驟(1)中脫脂棉是放在一端封口，而另一端塞入管塞的石英管中，在預設溫度為800?1000°C的箱式電爐中高溫煅燒30?60 min后，取出石英管，在空氣中退火冷卻； 步驟(2)中的聚四氟乙烯高壓反應釜中的反應物碳纖維與氫氟酸的配比為1 g:15 mL，即1 g碳纖維中加入15 mL的氫氟酸，其余部分為去離子水，加入去離子水后使溶液體積達到反應釜內膽容積的三分之二，在150?200°C的溫度條件下，溶劑熱反應8?10 h，自然冷卻至室溫后，取出反應釜；
步驟(2)中水熱反應后得到的黑色碳纖維溶液進行過濾，并用去離子水不斷沖洗反應后的碳纖維，直至濾液pH值為中性，將沖洗后的碳纖維置于80?100°C的恒溫干燥箱中，干燥8?10 h后進行收集；
步驟(3)中進行超聲液相剝離的分散劑為N-甲基吡咯烷酮，氟摻雜碳纖維與N-甲基吡咯烷酮的配比為1 g:80 mL，超聲處理時間為10?12 h，超聲處理后對該懸濁液進行離心分離，其轉速為6000?8000 rpm，離心時間為45?60 min，離心后吸取上層灰色溶液，即氟摻雜石墨烯量子點溶液；在80?100°C溫度下，將溶劑蒸干后進行收集即可得到氟摻雜石墨烯量子點。
[0009]本發(fā)明的技術效果及優(yōu)點:
1.整體技術路線創(chuàng)新，采用可行、易得的脫脂棉作為碳源，價格低廉，結合水熱合成法制備得到氟摻雜碳纖維，再經過超聲液相剝離，成功制備出了氟摻雜石墨烯量子點。
[0010]2.水熱合成反應通過使用反應釜來制備氟摻雜碳纖維，成功完成了氟摻雜過程，實現了從氟摻雜碳纖維到氟摻雜石墨烯量子點的轉變。此方法制備過程簡便，操作可行，制備得到的氟摻雜石墨烯量子點具有優(yōu)異的光電性能，通過摻雜的方式，增加了額外的能級，有效地改變了石墨烯量子點的性能。
【附圖說明】
[0011 ] 圖1為制得的碳纖維的SEM圖；
圖2為制得的氟摻雜碳纖維的SEM圖；
圖3為制得的氟摻雜石墨烯量子點的FT-1R圖；
圖4為制得的氟摻雜石墨稀量子點TEM圖；
圖5為制得的氟摻雜石墨烯量子點水溶液的UV-vis分析光譜；
圖6為制得的氟摻雜石墨烯量子點水溶液的PL分析光譜。
【具體實施方式】
[0012]實施例1，如圖1-6所示
取5 g脫脂棉置于一端封口，而另一端用瓶塞塞住的石英管，將該石英管放入預設溫度為1000°C的高溫箱式電爐中，高溫煅燒1 h后取出，在空氣中冷卻，取出碳化后的脫脂棉在研缽中進行研磨，得到微米級碳纖維；
如圖1所示，為碳纖維的掃描電鏡成像圖，可看到初始碳纖維棒狀表面為光滑的顯微結構。
[0013]稱取lg碳纖維，放入反應釜聚四氟乙烯內膽中，加入15 mL的氫氟酸，再加入20mL的去離子水，在170°C的恒溫干燥箱中水熱反應8 h后，對制備得到的氟摻雜碳纖維進行過濾，并用去離子水不斷清洗，直至濾液pH值為中性，然后對得到的氟摻雜碳纖維進行烘干，最后進行收集； 如圖2所示，為氟摻雜碳纖維的掃描電鏡成像圖，可看到氟摻雜后碳纖維表面有點狀的突出物，棒狀表面結構變得粗糙。
[0014]取制備得到的氟摻雜碳纖維放入燒杯中，加入80 mL N_甲基吡咯烷酮，超聲處理10 h，然后進行離心分離，離心轉速6000 rpm,離心時間40 min，離心完成后取上層灰色溶液，并對溶劑進行蒸干處理后收集黑色沉積物，即得到氟摻雜石墨烯量子點。
[0015]如圖3所示，為氟摻雜石墨烯量子點的傅里葉紅外光譜表征圖，可看到有明顯的氟元素摻雜后的振動峰。
[0016]如圖4所示，為氟摻雜石墨烯量子點的透射電鏡成像圖，其粒徑尺寸小于50 nm,且分布較為均勻。
[0017]如圖5所示，為氟摻雜石墨烯量子點水溶液的紫外-可見光吸收光譜圖，可看到明顯的氟摻雜石墨烯量子點的紫外吸收峰。
[0018]如圖6所示，為氟摻雜石墨烯量子點水溶液的光致發(fā)光測試光譜圖，可看到氟摻雜石墨烯量子點優(yōu)異的光致發(fā)光性質。
[0019]本發(fā)明提到的一個或多個步驟并不排斥所述組合步驟還存在其他方法及操作過程；還應注意，該實例僅用于說明本發(fā)明的可行性，而不是限制本發(fā)明的范圍。除此之外，在無實質性改變制備技術內容的情況下，亦當視為本發(fā)明的可實施范疇。
【主權項】
1.氟摻雜石墨烯量子點，其特征在于通過摻雜異質氟原子的方式形成一種新的石墨烯量子點改性材料，改變了石墨烯量子點的結構，對其進行了表面修飾，增加了含氟官能團，形成了 η型摻雜體系；氟摻雜石墨烯量子點的粒徑尺寸分布在50 nm以下，其作為石墨烯量子點的一種衍生材料，氟原子的摻雜，打開了石墨烯的這種零帶隙結構，增加了額外的氟原子能級，使外層電子躍迀具有了不同的方式，從而改善了石墨烯量子點的光電性能。2.如權利要求1所說的氟摻雜石墨烯量子點的制備方法，包括高溫煅燒、水熱合成反應、超聲波液相剝離等步驟，其特征在于具體如下: (1)采用高溫煅燒法，在800?1000°C高溫下使一定量的脫脂棉完全碳化后，進行充分研磨，得到黑色絮狀的微米級碳纖維； (2)采用水熱合成反應法，取制備得到的碳纖維與氫氟酸在高壓反應釜中進行反應，得到氟摻雜碳纖維； (3)采用超聲液相剝離法，往制備得到的氟摻雜碳纖維中加入分散劑，超聲處理后，進行離心分離，移取上層灰色溶液，對溶劑蒸干后即可收集得到納米級氟摻雜石墨烯量子點粉體。3.如權利要求2所述的氟摻雜石墨烯量子點的制備方法，其特征在于: 步驟(1)中脫脂棉是放在一端封口，而另一端塞入管塞的石英管中，在預設溫度為800?1000°C的箱式電爐中高溫煅燒30?60 min后，取出石英管，在空氣中退火冷卻； 步驟(2)中的聚四氟乙烯高壓反應釜中的反應物碳纖維與氫氟酸的配比為1 g:15 mL，即1 g碳纖維中加入15 mL的氫氟酸，其余部分為去離子水，加入去離子水后使溶液體積達到反應釜內膽容積的三分之二，在150?200°C的溫度條件下，溶劑熱反應8?10 h，自然冷卻至室溫后，取出反應釜； 步驟(2)中水熱反應后得到的黑色碳纖維溶液進行過濾，并用去離子水不斷沖洗反應后的碳纖維，直至濾液pH值為中性，將沖洗后的碳纖維置于80?100°C的恒溫干燥箱中，干燥8?10 h后進行收集； 步驟(3)中進行超聲液相剝離的分散劑為N-甲基吡咯烷酮，氟摻雜碳纖維與N-甲基吡咯烷酮的配比為1 g:80 mL，超聲處理時間為10?12 h，超聲處理后對該懸濁液進行離心分離，其轉速為6000?8000 rpm，離心時間為45?60 min，離心后吸取上層灰色溶液，即氟摻雜石墨烯量子點溶液；在80?100°C溫度下，將溶劑蒸干后進行收集即可得到氟摻雜石墨烯量子點。
【專利摘要】本發(fā)明涉及光電子領域，尤其是氟摻雜石墨烯量子點及其制備方法。氟摻雜石墨烯量子點是一種新的石墨烯量子點改性材料，通過摻雜的方式，增加了石墨烯量子點額外的能級，有效地改變了石墨烯量子點的性能，可用于光電探測器領域。本制備方法采用可行、易得的脫脂棉作為碳源，其價格低廉，結合水熱合成法制備得到了氟摻雜碳纖維，再經過超聲液相剝離，成功制備出了氟摻雜石墨烯量子點。制備得到的氟摻雜石墨烯量子點具有優(yōu)異的光電性能，存在著明顯的紫外吸收以及光致發(fā)光性質。
【IPC分類】C01B31/04, C09K11/65
【公開號】CN105271200
【申請?zhí)枴緾N201510749594
【發(fā)明人】唐利斌, 姬榮斌, 項金鐘, 左文彬, 趙俊, 胡贊東, 韓福忠
【申請人】昆明物理研究所
【公開日】2016年1月27日
【申請日】2015年11月6日