本發(fā)明涉及一種鉀摻雜石墨烯量子點的制備方法，鉀元素的摻入，改變了石墨烯量子點的能級結(jié)構(gòu)，有效地增強(qiáng)了它的光學(xué)性能及電學(xué)性能。本發(fā)明中采用的原料為常規(guī)的糖和氫氧化鉀，反應(yīng)所需裝置簡便，成本低廉，反應(yīng)過程高效、安全、環(huán)保。

背景技術(shù)：

石墨烯量子點（gqds）具有優(yōu)異的光電特性、化學(xué)穩(wěn)定性、生物相容性及自旋性質(zhì)，由于它在三個維度上的尺寸都小于10nm，因此量子限域效應(yīng)、邊緣效應(yīng)都比較顯著。大量研究表明石墨烯量子點在生物成像、微電子、功能材料、化學(xué)傳感、儲能及太陽電池等領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。

目前，由于受到帶隙為零的限制，石墨烯量子點尚未在電子器件、光電子器件及太陽電池等領(lǐng)域得到廣泛發(fā)展。元素?fù)诫s作為一種有效的技術(shù)手段，可以對石墨烯量子點的能級結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)制，通過摻入異質(zhì)元素，向石墨烯量子點中引入新的能級，以此對其能級結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)制，進(jìn)而改變石墨烯量子點的光學(xué)、電學(xué)及光電性質(zhì)，實現(xiàn)材料性能的優(yōu)化。目前，制備石墨烯量子點的方法有多種，本發(fā)明采用的水熱合成技術(shù)能使石墨烯量子點的合成與摻雜一步完成，且具備批量生產(chǎn)、技術(shù)環(huán)保、成本低廉、工藝簡單、易于實施等優(yōu)點。

在名稱為“一種氮摻雜石墨烯量子點的化學(xué)制備方法”（專利申請?zhí)枮?01410376809.4）的中國專利中，利用氧化石墨作為碳源，甘氨酸作為氮源在高溫退火條件下制得氮摻雜石墨烯量子點。在名稱為“一種氧、氯共摻雜石墨烯量子點的制備方法”（專利申請?zhí)枮?01310312836.0）的中國發(fā)明專利中，在水熱反應(yīng)條件下，用糖作為碳源和氧摻雜源，用鹽酸作為氯摻雜源制得氧、氯共摻雜石墨烯量子點。本發(fā)明的技術(shù)與之不同，本發(fā)明的技術(shù)涉及向石墨烯量子點中引入摻雜元素鉀，即以糖和氫氧化鉀作為反應(yīng)物，在水熱條件下生成鉀摻雜石墨烯量子點。本發(fā)明通過鉀元素的摻雜在石墨烯量子點中引入了新的能級結(jié)構(gòu)，增加了電子的躍遷形式，使得石墨烯量子點的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)得到了有效調(diào)制。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明實現(xiàn)了鉀元素?fù)诫s石墨烯量子點的簡便制備，由于不同元素的摻入對石墨烯量子點能級結(jié)構(gòu)調(diào)制結(jié)果各異，因此得到的光電性能也各不相同，這對其在光電、能源、電子、催化等領(lǐng)域的應(yīng)用有著重要意義。本發(fā)明中的一種鉀摻雜石墨烯量子點的水熱合成制備方法，以常規(guī)反應(yīng)物糖和氫氧化鉀為原料，去離子水為溶劑，在一定溫度下通過水熱反應(yīng)制備得到水溶性鉀摻雜石墨烯量子點。

本發(fā)明的鉀摻雜石墨烯量子點的水熱合成制備方法，其特征在于該方法是通過以下的步驟實現(xiàn)的：第一步，取適量糖和氫氧化鉀，加去離子水?dāng)嚢枋蛊涑浞秩芙?；第二步，將第一步所得溶液轉(zhuǎn)移至水熱反應(yīng)釜中，恒溫反應(yīng)數(shù)小時；第三步，反應(yīng)結(jié)束后，對反應(yīng)液進(jìn)行透析純化，即可得到鉀摻雜石墨烯量子點的水溶液。

其中，第一步所述的糖可以是果糖、葡萄糖或蔗糖中的任意一種，糖用量為0.5克，氫氧化鉀0.15克，去離子水40毫升。

其中，第二步將配好的溶液轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜中，將反應(yīng)釜置于170℃的烘箱中反應(yīng)，時間為4小時。

其中，第三步取出反應(yīng)液用透析袋透析純化，透析時間為10～20分鐘。

鉀摻雜石墨烯量子點有效增加了石墨烯的電子躍遷能級，未摻雜的石墨烯量子點電子能級的躍遷僅在sp²碳的π和π^*間躍遷，發(fā)光波長位于深紫外和藍(lán)光波段。通過往石墨烯量子點中摻入鉀，就會在sp²碳的π和π^*能級間引入鉀能級，使得電子躍遷模式變得多樣化，這有利于材料在生物成像、光電子器件、光子器件等領(lǐng)域的應(yīng)用。

本發(fā)明具有以下的優(yōu)點：（1）制備工藝簡單、成本低廉：本發(fā)明制備的鉀摻雜石墨烯量子點原料普通、廉價，設(shè)備簡單、操作易行，合成與摻雜一步完成；（2）制備過程環(huán)保、安全：本發(fā)明制備鉀摻雜石墨烯量子點所用的反應(yīng)物無毒、安全，整個制備過程綠色環(huán)保；（3）產(chǎn)物尺寸分布均勻：本發(fā)明制備的鉀摻雜石墨烯量子點的平均粒徑為3.4nm，且尺寸分布范圍??；（4）產(chǎn)物水溶性好：由于本發(fā)明制備的鉀摻雜石墨烯量子點表面有羥基等官能團(tuán)的存在，因此易溶于水；（5）產(chǎn)物具有熒光特性：本發(fā)明制備的鉀摻雜石墨烯量子點，在紫外光照射下發(fā)熒光，可拓展它在生物成像、熒光標(biāo)記、光催化、太陽電池等領(lǐng)域的應(yīng)用；（6）易于規(guī)?；a(chǎn)：本發(fā)明制備鉀摻雜石墨烯量子點的方法，反應(yīng)原料常規(guī)，制備工藝簡單，可進(jìn)行規(guī)?；可a(chǎn)。

附圖說明

圖1是鉀摻雜石墨烯量子點透射電鏡圖。

圖2是鉀摻雜石墨烯量子點溶液的光致發(fā)光譜。

圖3是鉀摻雜石墨烯量子點x光電子能譜圖。

圖4是鉀摻雜石墨烯量子點拉曼光譜圖。

具體實施方式

實施例1：稱取0.5克蔗糖，0.15克氫氧化鉀，加入40毫升去離子水使反應(yīng)物充分溶解，混合均勻。將反應(yīng)液轉(zhuǎn)移至水熱釜，放到170℃的烘箱中加熱4小時。反應(yīng)結(jié)束后，將溶液取出，用透析袋對樣品進(jìn)行透析純化，時間為15分鐘，透析袋外環(huán)境為去離子水，最后收集得到鉀摻雜石墨烯量子點溶液，尺寸在2.4-4.8nm之間，平均尺寸為3.4nm。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
一種鉀摻雜石墨烯量子點的制備方法，屬于納米材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及鉀摻雜石墨烯量子點的水熱制備技術(shù)。本發(fā)明的一種鉀摻雜石墨烯量子點的水熱制備方法，其特征在于糖與氫氧化鉀在水熱反應(yīng)條件下生成水溶性鉀摻雜石墨烯量子點。本發(fā)明的技術(shù)涉及向石墨烯量子點中引入鉀元素來實現(xiàn)石墨烯量子點能級結(jié)構(gòu)的調(diào)制，進(jìn)而使得石墨烯量子點具有更優(yōu)異的光電性能。該制備方法通過一步即可完成量子點的制備與摻雜，且原料易得、設(shè)備簡單、可進(jìn)行規(guī)?；a(chǎn)，得到的量子點產(chǎn)物尺寸均勻，水溶性和分散性較好，在電子、光電子、太陽電池及化學(xué)傳感等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價值。

技術(shù)研發(fā)人員：李學(xué)銘;唐利斌;錢福麗;楊培志;魯朝宇
受保護(hù)的技術(shù)使用者：云南師范大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2016.01.27
技術(shù)公布日：2017.08.04