CN102992311B - 一种由碳纳米管制备石墨烯量子点的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种由碳纳米管制备石墨烯量子点的方法，在碳纳米管中加入硝酸和硫酸的混合溶液，水浴加热、磁力搅拌后冷却至室温，用蒸馏水稀释，调节pH值，渗析及超滤离心，用有机溶剂萃取，即制得石墨烯量子点。本发明采用生长方式多样、易控的碳纳米管为原料通过简单可控的水浴加热搅拌操作制备出石墨烯量子点，其具有很强荧光效应且荧光范围可控、与水混溶等特点，经萃取可与大部分聚合物混溶，可应用在很多光电材料与器件中提高器件性能。

Description

一种由碳纳米管制备石墨烯量子点的方法
技术领域
本发明属于石墨烯量子点的制备技术领域，具体涉及一种由碳纳米管制备石墨烯量子点的方法。
背景技术
石墨烯凭借其独特的物理、化学、机械特性已经成为了材料及器件应用中备受瞩目的新贵，但是由于其本身是一种零带隙的半金属材料，且具有双极性，因此在光电子材料中的应用受到了限制。如何能够打开石墨烯的能带使其变成带隙在一定范围内可调的半导体，成为了光电子材料与器件科学界的研究重点。
实验及理论研究表明，石墨烯量子点相对石墨烯纳米带具有更加显著的边缘效应以及更强的量子限制效应。此外石墨烯量子点还具有低细胞毒性、良好的水溶性、稳定的荧光和优异的生物相容性，这些使得石墨烯量子点在光电器件、生物传感及成像等方面具有很大的应用前景。
近几年研究者运用电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀等方法制备了石墨烯量子点，这些方法只能作为基础研究的制备手段，其工艺繁琐，成本昂贵，产量较低并不适合批量生产和应用。此外，从各种碳源出发，通过溶液“切割”的方法制备石墨烯量子点的研究中，在制备方法中仍然存在着较难保证石墨烯量子点的荧光可控、粒径一致以及化学稳定性等问题，本发明在这些方面解决了这些问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种由碳纳米管制备石墨烯量子点的方法，本发明采用生长方式多样、易控的碳纳米管为原料通过简单可控的水浴加热搅拌操作制备出石墨烯量子点，其具有很强荧光效应且荧光范围可控、与水混溶等特点，经萃取可与大部分聚合物混溶，可应用在很多光电材料与器件中提高器件性能。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种由碳纳米管制备石墨烯量子点的方法，在碳纳米管中加入硝酸和硫酸的混合溶液，水浴加热、磁力搅拌后冷却至室温，用蒸馏水稀释，调节pH值，渗析及超滤离心，用有机溶剂萃取，即制得石墨烯量子点。
所述的碳纳米管为单壁、双壁或多壁碳纳米管。
所述的硝酸和硫酸的混合溶液中硝酸和硫酸的物质的量比为1:8~3:4，水的质量分数为0.5~15%。
所述的碳纳米管的质量与硝酸和硫酸的混合溶液的体积比为2~6mg/mL。
所述的水浴加热温度为80~150℃，时间为12~30小时，磁力搅拌功率为30~120W。
所述的调节pH值采用NaOH或碳酸钠溶液。
所述的渗析采用截留分子量为2000~8000Da，渗析时间为2~8天。
所述的超滤离心采用截留分子量为2000~8000Da，离心转速为3000~7000转/分钟，时间为30~60分钟。
所述的有机溶剂与被萃取液的体积比为1:1~5，萃取时间为12~48小时。
所述的有机溶剂为氯苯。
本发明的有益效果在于：本发明提供了一种由碳纳米管制备石墨烯量子点的方法，该制备方法具有操作简单、条件易控、制备快速等优点，经过萃取后的石墨烯量子点尺寸一致，粒径分布均匀，具有优良的荧光特性，可与众多常用聚合物混合，易于应用在有机光电子器件中。
附图说明
图1是本发明提供的由碳纳米管制备石墨烯量子点的方法的流程图。
图2是本发明提供的由碳纳米管制备石墨烯量子点的方法制得的石墨烯量子点的荧光光谱图，激发波长分别为330nm的紫外光。
图3是本发明提供的由碳纳米管制备石墨烯量子点的方法萃取后的氯苯溶液分别在日光灯和紫外灯照射下的照片，左边为紫外灯照射下，右边为日光灯照射下的照片。可以看出石墨烯量子点溶液在紫外灯照射下表现出强烈的蓝色荧光，而在日光灯照射下则无明显荧光发射。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述。但是所描述的实施例，仅仅是本发明的一部分实施例，并不局限于此。
实施例1
采用0.030g双壁碳纳米管（管径＜5nm，管长5~15um）加入浓硝酸和浓硫酸的混合溶液，其中浓硝酸的质量百分浓度为68%，浓硫酸的质量百分浓度为98%，以体积比1:3混合得到。
经水浴加热磁力搅拌后，水浴加热温度为100℃，时间为24小时，磁力搅拌功率为80W，冷却至室温，以2倍体积的蒸馏水进行稀释，采用浓NaOH溶液调节混合溶液pH=8。
采用截留分子量为3000Da的渗析袋对所得溶液渗析处理，渗析时间为5天，期间每隔24小时更换一次渗析袋外蒸馏水。将渗析后所得溶液进行超滤离心缩水，超滤离心采用截留分子量为3000Da，离心机转速为6000转/分钟，离心时间为40分钟，得到石墨烯量子点水分散液。
将离心所得溶液采用氯苯萃取，萃取剂与水溶液的体积比为1:2，静置时间为24小时，获得具有蓝色荧光效应的石墨烯量子点。
本发明方法制备的石墨烯量子点，经萃取后具有很好的分散性以及一致的颗粒尺寸。经过荧光光谱仪进行光学测试，结果表明量子点在紫外光照下可以产生很强的蓝色荧光，表现出与激发波长相关的荧光行为，在光电子器件及生物传感器与生物成像中具有极大的应用前景。
实施例2
将实施例1中原料改为0.030g多壁碳纳米管，其他条件不变，可以获得与实施例1类似的产物。
实施例3
将实施例1中水浴加热温度控制为90℃，其他条件不变，可以获得与实施例1类似的产物。
实施例4
将实施例1中水浴加热换为油浴，温度控制为120℃，其他条件不变，可以获得与实施例1类似的产物。
实施例5
将实施例1中水浴加热磁力搅拌时间改为18小时，其他条件不变，可以获得与实施例1类似的产物。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (1)

1.一种由碳纳米管制备石墨烯量子点的方法，其特征在于：在碳纳米管中加入硝酸和硫酸的混合溶液，水浴加热、磁力搅拌后冷却至室温，用蒸馏水稀释，调节pH值，渗析及超滤离心，用有机溶剂萃取，即制得石墨烯量子点；
所述的碳纳米管为单壁、双壁或多壁碳纳米管；
所述的硝酸和硫酸的混合溶液中硝酸和硫酸的物质的量比为1:8~3:4，水的质量分数为0.5~15%；
所述的碳纳米管的质量与硝酸和硫酸的混合溶液的体积比为2~6mg/mL；
所述的水浴加热温度为80~150℃，时间为12~30小时，磁力搅拌功率为30~120W；
所述的调节pH值采用NaOH或碳酸钠溶液；
所述的渗析采用截留分子量为2000~8000Da，渗析时间为2~8天；
所述的超滤离心采用截留分子量为2000~8000Da，离心转速为3000~7000转/分钟，时间为30~60分钟；
所述的有机溶剂与被萃取液的体积比为1:1~5，萃取时间为12~48小时；
所述的有机溶剂为氯苯。
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