煤基石墨烯量子點(diǎn)的宏量方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種煤基石墨烯量子點(diǎn)的宏量方法，包括以下步驟：將粉碎后煤粉與剝離溶劑、剝離促進(jìn)劑混合并超聲分散；然后轉(zhuǎn)入高壓反應(yīng)釜并在連續(xù)磁力攪拌作用下進(jìn)行水熱反應(yīng)；冷卻后離心分離去除未剝離的大顆粒后即獲得石墨烯量子點(diǎn)。本發(fā)明通過(guò)控制煤粉與剝離溶劑及剝離促進(jìn)劑的比例、水熱反應(yīng)溫度、時(shí)間等參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)石墨烯量子點(diǎn)的宏量制備，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用有機(jī)溶劑直接剝離煤制備石墨烯量子點(diǎn)，不但具有水溶性好、熒光效率高的優(yōu)點(diǎn)，而且制備成本低廉，工藝簡(jiǎn)單，產(chǎn)率高，便于工業(yè)化量產(chǎn)。
【專利說(shuō)明】煤基石墨烯量子點(diǎn)的宏量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于納米材料制備【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是涉及一種煤基石墨烯量子點(diǎn)的宏量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯量子點(diǎn)(Graphene quantum dots，GQDs)作為一種準(zhǔn)零維的石墨烯材料，除了具有石墨烯獨(dú)特的電子輸運(yùn)特性以及碳量子點(diǎn)的化學(xué)惰性、低毒性、較好的生物相容性、抗光漂白等特性外，還具有由量子限域和邊界效應(yīng)所導(dǎo)致的許多新特性=(I)GQDs具有與其尺寸、表面基團(tuán)相關(guān)的帶隙結(jié)構(gòu)及光致發(fā)光特性；(2) GQDs具有波長(zhǎng)上轉(zhuǎn)換特性，也即GQDs能夠有效捕獲近紅外光區(qū)的低能量光子，可實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光的寬譜帶吸收；(3) GQDs中熱載流子具有較低的弛豫速率，這就意味著GQDs能夠更加有效地捕獲熱載流子進(jìn)而提高太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率。目前GQDs已經(jīng)廣泛應(yīng)用于光電轉(zhuǎn)換、傳感器、光催化、熒光標(biāo)記等諸多領(lǐng)域。
[0003]GQDs的制備方法主要包括水熱法、混酸氧化法、紫外芬頓反應(yīng)法、電化學(xué)氧化法、微波輔助氧化法以及有機(jī)分子合成法等。盡管使用上述方法已經(jīng)能夠進(jìn)行GQDs的宏量、可控制備，但這些方法存在諸如需要氧化石墨烯片作原料、實(shí)驗(yàn)過(guò)程復(fù)雜、對(duì)原料要求較高、對(duì)裝置要求較高等缺點(diǎn)，由此限制GQDs的大量、低成本制備。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，Ruquan Ye 等人 2013 年在《Nature Communications》上發(fā)表了題為“Coal as an abundantsource of graphene quantum dots^CNature Communications, 2013，4:2943)的研究報(bào)道，該文獻(xiàn)利用煤本身由納米結(jié)晶片和中間無(wú)環(huán)碳鏈組成這一特點(diǎn)，使用混酸(H2S04/HN03)氧化法對(duì)煤粉進(jìn)行回流處理24小時(shí)制備出了水溶性和熒光特性均較好的GQDs。但是這種混酸長(zhǎng)時(shí)間氧化回流法制 備GQDs時(shí)大部分GQDs會(huì)被氧化掉，降低產(chǎn)率；另一方面氧化回流、酸堿中和以及透析處理等實(shí)驗(yàn)過(guò)程較為復(fù)雜，且會(huì)產(chǎn)生大量廢液，難以進(jìn)行工業(yè)化量產(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種煤基石墨烯量子點(diǎn)的宏量方法，本發(fā)明采用有機(jī)溶劑剝離煤粉的方法直接量產(chǎn)制備水溶性好、熒光效率聞的石墨稀量子點(diǎn)。
[0005]本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
[0006]本發(fā)明涉及一種煤基石墨烯量子點(diǎn)的宏量方法，包括以下步驟:將粉碎后煤粉與剝離溶劑、剝離促進(jìn)劑混合并超聲分散；然后轉(zhuǎn)入高壓反應(yīng)釜并在連續(xù)磁力攪拌條件下進(jìn)行水熱反應(yīng)；冷卻后離心分離去除未剝離的大顆粒后即獲得石墨烯量子點(diǎn)。
[0007]優(yōu)選的，所述的煤粉為無(wú)煙煤、煙煤、褐煤、焦煤中的一種或幾種混合物。
[0008]優(yōu)選的，所述粉碎后煤粉的顆粒尺寸在0.1~200 μ m。更優(yōu)選的，所述的剝離溶劑為N-甲基-2-吡咯烷酮、二甲亞砜、N、N-二甲基甲酰胺、N、N-二甲基乙酰胺中的一種或幾種混合物。進(jìn)一步優(yōu)選的，所述的剝離促進(jìn)劑為檸檬酸三鈉、酒石酸鈉、酒石酸鈉鉀、氫氧化鈉中的一種或幾種混合物。
[0009]優(yōu)選的，所述超聲分散的功率為50~200W，時(shí)間為10~120min。
[0010]優(yōu)選的，所述煤粉、剝離溶劑和剝離促進(jìn)劑的比例為1.0g: (50~500ml): (0.0~
5.0g)。
[0011]優(yōu)選的，所述水熱反應(yīng)的溫度為100~250°C，時(shí)間為2~24h。
[0012]優(yōu)選的，所述離心分離的轉(zhuǎn)速為10000~14000rpm，時(shí)間為2~30min。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:本發(fā)明通過(guò)控制煤粉、剝離溶劑及剝離促進(jìn)劑的比例、水熱反應(yīng)溫度、時(shí)間等參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)石墨烯量子點(diǎn)的宏量制備。本發(fā)明采用有機(jī)溶劑直接剝離煤制備石墨烯量子點(diǎn)，不但具有水溶性好、熒光效率高的優(yōu)點(diǎn)，而且制備成本低廉，工藝簡(jiǎn)單，產(chǎn)率高，便于工業(yè)化量產(chǎn)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】 [0014]通過(guò)閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯:
[0015]圖1為石墨烯量子點(diǎn)制備過(guò)程的示意圖；
[0016]圖2為本發(fā)明制備石墨烯量子點(diǎn)的紫外-可見吸收光譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0018]實(shí)施例1
[0019]本實(shí)施例涉及一種煤基石墨烯量子點(diǎn)的宏量方法，包括以下步驟:
[0020]如圖1所示，將200 μ m尺寸的無(wú)煙煤粉0.lg、20ml N-甲基_2_吡咯烷酮和0.2g檸檬酸三鈉在燒杯中混合并在超聲池中分散30min (功率100W);然后將混合液轉(zhuǎn)入50ml的水熱反應(yīng)釜中在連續(xù)磁力攪拌條件下200°C反應(yīng)8h，冷卻后HOOOrpm離心IOmin去除大顆粒即獲得水溶性石墨烯量子點(diǎn)。其紫外-可見光吸收光譜如圖2所示。
[0021]實(shí)施例2
[0022]本實(shí)施例涉及一種煤基石墨烯量子點(diǎn)的宏量方法，包括以下步驟:
[0023]如圖1所示，將ΙΟΟμπι尺寸的褐煤粉0.2g、60ml 二甲亞砜和0.6g酒石酸鈉在燒杯中混合并在超聲池中分散30min (功率200W);然后將混合液轉(zhuǎn)入100ml的水熱反應(yīng)釜中在連續(xù)磁力攪拌條件下200°C反應(yīng)10h，冷卻后13000rpm離心20min去除大顆粒即獲得水溶性石墨烯量子點(diǎn)。其紫外-可見光吸收光譜如圖2所示。
[0024]實(shí)施例3
[0025]本實(shí)施例涉及一種煤基石墨烯量子點(diǎn)的宏量方法，包括以下步驟:
[0026]如圖1所示，將0.1 μ m尺寸的無(wú)煙煤粉0.lg、30ml N-甲基_2_吡咯烷酮和0.0g檸檬酸三鈉在燒杯中混合并在超聲池中分散IOmin (功率200W);然后將混合液轉(zhuǎn)入50ml的水熱反應(yīng)釜中在連續(xù)磁力攪拌條件下200°C反應(yīng)2h，冷卻后HOOOrpm離心2min去除大顆粒即獲得水溶性石墨烯量子點(diǎn)。其紫外-可見光吸收光譜如圖2所示。
[0027]實(shí)施例4
[0028]本實(shí)施例涉及一種煤基石墨烯量子點(diǎn)的宏量方法，包括以下步驟:
[0029]如圖1所示，將2μπι尺寸的焦煤粉1.0g、500ml N、N-二甲基甲酰胺和3.0g酒石酸鈉在燒杯中混合并在超聲池中分散120min (功率150W);然后將混合液轉(zhuǎn)入1000ml的水熱反應(yīng)爸中在連續(xù)磁力攪拌條件下25(TC反應(yīng)8h,冷卻后12000rpm離心IOmin去除大顆粒即獲得水溶性石墨烯量子點(diǎn)。其紫外-可見光吸收光譜如圖2所示。
[0030]實(shí)施例5
[0031]本實(shí)施例涉及一種煤基石墨烯量子點(diǎn)的宏量方法，包括以下步驟:
[0032]如圖1所示，將IOOym尺寸的煙煤粉0.2g、60ml N-甲基_2_吡咯烷酮/N、N_二甲基乙酰胺(V/V=l:1)和0.2g氫氧化鈉在燒杯中混合并在超聲池中分散90min (功率200W);然后將混合液轉(zhuǎn)入100ml的水熱反應(yīng)釜中在連續(xù)磁力攪拌條件下180°C反應(yīng)12h，冷卻后1000Orpm離心30min去除大顆粒即獲得水溶性石墨烯量子點(diǎn)。其紫外-可見光吸收光譜如圖2所示。
[0033]實(shí)施例6
[0034]本實(shí)施例涉及一種煤基石墨烯量子點(diǎn)的宏量方法，包括以下步驟:
[0035]如圖1所示，將5μπι尺寸的無(wú)煙煤粉0.lg、40ml N、N_ 二甲基乙酰胺和0.3g酒石酸鈉鉀在燒杯中混合并在超聲池`中分散60min (功率50W);然后將混合液轉(zhuǎn)入100ml的水熱反應(yīng)爸中在連續(xù)磁力攪拌條件下200°C反應(yīng)IOh,冷卻后14000rpm離心IOmin去除大顆粒即獲得水溶性石墨烯量子點(diǎn)。其紫外-可見光吸收光譜如圖2所示。
[0036]以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1.一種煤基石墨烯量子點(diǎn)的宏量方法，其特征在于，包括以下步驟:將粉碎后煤粉與剝離溶劑、剝離促進(jìn)劑混合并超聲分散；然后轉(zhuǎn)入高壓反應(yīng)釜并在連續(xù)磁力攪拌條件下進(jìn)行水熱反應(yīng)；冷卻后離心分離去除未剝離的大顆粒后即獲得石墨烯量子點(diǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤基石墨烯量子點(diǎn)的宏量方法，其特征在于，所述的煤粉為無(wú)煙煤、煙煤、褐煤、焦煤中的一種或幾種混合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤基石墨烯量子點(diǎn)的宏量方法，其特征在于，所述的粉碎后煤粉的顆粒尺寸在0.1~200 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的煤基石墨烯量子點(diǎn)的宏量方法，其特征在于，所述的剝離溶劑為N-甲基-2-吡咯烷酮、二甲亞砜、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺中的一種或幾種混合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的煤基石墨烯量子點(diǎn)的宏量方法，其特征在于，所述的剝離促進(jìn)劑為檸檬酸三鈉、酒石酸鈉、酒石酸鈉鉀、氫氧化鈉中的一種或幾種混合物。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤基石墨烯量子點(diǎn)的宏量方法，其特征在于，所述的超聲分散的功率為50~200W，超聲時(shí)間為10~120min。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤基石墨烯量子點(diǎn)的宏量方法，其特征在于，所述粉碎后煤粉、剝離溶劑和剝離促進(jìn)劑的比例為1.0g: (50~500ml): (0.0- 5.0g)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤基石墨烯量子點(diǎn)的宏量方法，其特征在于，所述水熱反應(yīng)的溫度為100~200°C，反 應(yīng)的時(shí)間為2~24h。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤基石墨烯量子點(diǎn)的宏量方法，其特征在于，所述離心分離的轉(zhuǎn)速為10000~14000rpm，時(shí)間為2~30min。
【文檔編號(hào)】C09K11/65GK103803538SQ201410041931
【公開日】2014年5月21日 申請(qǐng)日期:2014年1月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月28日
【發(fā)明者】蘇言杰, 張亞非 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)