CN103803540A - 一种煤基石墨烯量子点的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种煤基石墨烯量子点的制备方法，该方法包括以下步骤：将天然煤块作为原材料，通过机械力碾碎成不同尺寸的粉料，利用不同目数的筛子过筛，获得不同尺寸的煤粉料作为原材料；将煤粉料与强酸混合后放入超声池超声处理，然后放入冰箱冷冻过夜，取出后缓慢加入硝酸钠并继续搅拌30min，将反应装置置于冰浴中，缓慢加入高锰酸钾并搅拌30min，再将反应装置置于35℃水浴中，加入去离子水以及双氧水，反应搅拌过夜，最后将上述反应溶液离心分离，取上清液加碱性反应物中和至中性，透析去除盐分后即得到水溶性的石墨烯量子点。与现有技术相比，本发明采用天然煤块作为原材料制备得到石墨烯量子点的方法，原材料丰富、价格便宜，制备工艺简单，产量大，适用于大规模商业化生产。

Description

一种煤基石墨烯量子点的制备方法
技术领域
本发明属于纳米材料制备技术领域，具体是一种以天然煤为原料，利用改进Hummers法制备煤基石墨烯量子点的新方法。
背景技术
石墨烯量子点作为一种准零维纳米材料，除了具有石墨烯独特的电子输运特性以及碳量子点的化学惰性、低毒性、较好的生物相容性、抗光漂白等特性外，还具有由量子限域和边界效应所导致的许多新特性。目前石墨烯量子点已经被应用于发光二极管、太阳能电池、光催化、生物探针、荧光标记、纳电子器件等方面。
石墨烯量子点的制备方法有：水热法、电化学法、超声法、微波法、电子束刻蚀法等。但这些方法制备石墨烯量子点都存在诸如原材料昂贵、设备要求苛刻、能量消耗高、石墨烯量子点产率低、制备效率低下等缺点。经对现有文献检索发现，Changsheng Xiang等人在NATURE COMMUNICATIONS，2013，4：2943上发表了“Coal as an abundant source of graphene quantum dots”。该研究团队选用煤这个资源丰富的原材料，煤矿产丰富，并且具有多孔的内部结构，有利于化学试剂的渗透，加速氧化反应。但该研究过程中，采用的浓硫酸和浓硝酸的处理方法对煤结构破坏严重，引入太多的缺陷，制备得到的石墨烯量子点尺寸均一性差。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种原材料丰富、价格便宜，制备工艺简单，产量大，适用于大规模商业化生产的煤基石墨烯量子点的制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种煤基石墨烯量子点的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)原料预处理
煤块的研磨：将天然煤块作为原材料，通过机械力碾碎成不同尺寸的粉料，利用不同目数的筛子过筛，获得不同尺寸的煤粉料作为原材料；
(2)水溶性石墨烯量子点的制备
使用改进Hummers法制备石墨烯量子点：将煤粉料与强酸混合后放入超声池超声处理，然后放入冰箱冷冻过夜，取出后缓慢加入硝酸钠并继续搅拌30min，将反应装置置于冰浴中，缓慢加入高锰酸钾并搅拌30min，再将反应装置置于35℃水浴中，加入去离子水以及双氧水，反应搅拌过夜，最后将上述反应溶液离心分离，取上清液加碱性反应物中和至中性，透析去除盐分后即得到水溶性的石墨烯量子点。
所述的煤粉料的尺寸为100～1000目。
所述的强酸为浓硫酸、浓硝酸中的一种或两者混合物，其加入量为每克煤粉料原料添加0.1～0.8mol。
所述的硝酸钠的加入量为每克煤粉料原料加0.2～1.0g，所述的高锰酸钾的加入量为每克煤粉料原料加2.0～8.0g。
所述的去离子水的加入量为每克煤粉料原料加40～100ml，所述的双氧水水的加入量为每克煤粉料原料加5～40ml双氧水。
所述的离心分离的速率为8000～20000rpm，时间为10～60min。
所述的碱性反应物为NaCO3、NaOH或KOH。
所述的透析袋截留量为1000～3000Da。
通过调节煤粉原料的尺寸、反应温度和时间、离心分离速率和时间以及透析袋的截留量得到尺寸可控的水溶性石墨烯量子点。
与现有技术相比，本发明通过控制煤粉原料的尺寸、反应温度及时间、透析袋截留量，获得低成本的水溶性石墨烯量子点，制备操作简单，反应比较温和，适合商业化生产。
附图说明
图1为本发明石墨烯量子点的制备工艺流程图；
图2为实施例1所制备石墨烯量子点的吸收光谱。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
将天然煤块通过机械力碾碎过筛得到500目粉料，取1g煤粉与0.5mol浓硫酸在烧杯中混合并放入超声池超声30min，然后放入冰箱冷冻过夜。取出后缓慢加入1.0g硝酸钠，搅拌30min，将反应装置置于冰浴中，缓慢加入2.0g高锰酸钾，搅拌2h，再将反应装置置于水浴35℃中，加入60ml水以及20ml双氧水，反应搅拌过夜。将上述反应溶液离心分离，离心速率为10000rpm，时间为30min，取上清液加Na2CO3中和至中性，采用截留量为2000的透析袋透析3天，得到水溶性的石墨烯量子点。其紫外-可见光吸收光谱如图2所示。
实施例2
将天然煤块通过机械力碾碎过筛得到200目粉料，取1g煤粉与0.5mol浓硝酸在烧杯中混合并放入超声池超声30min，然后放入冰箱冷冻过夜。取出后缓慢加入0.6g硝酸钠，搅拌30min，将反应装置置于冰浴中，缓慢加入3.0g高锰酸钾，搅拌2h，再将反应装置置于水浴35℃中，加入50ml水以及30ml双氧水，反应搅拌过夜。将上述反应溶液离心分离，离心速率为4000rpm，时间为60min，取上清液加KOH中和至中性，采用截留量为3000的透析袋透析3天，得到水溶性的石墨烯量子点。
实施例3
将天然煤块通过机械力碾碎过筛得到1000目粉料，取1g煤粉与0.1mol浓硫酸在烧杯中混合并放入超声池超声30min，然后放入冰箱冷冻过夜。取出后缓慢加入0.4g硝酸钠，搅拌30min，将反应装置置于冰浴中，缓慢加入4.0g高锰酸钾，搅拌2h，再将反应装置置于水浴35℃中，加入40ml水以及20ml双氧水，反应搅拌过夜。将上述反应溶液离心分离，离心速率为14000rpm，时间为10min，取上清液加NaOH中和至中性，采用截留量为1000的透析袋透析3天，得到水溶性的石墨烯量子点。
实施例4
将天然煤块通过机械力碾碎过筛得到100目粉料，取1g煤粉与0.8mol浓硫酸／浓硝酸(V／V=3∶1)在烧杯中混合并放入超声池超声30min，然后放入冰箱冷冻过夜。取出后缓慢加入1.0g硝酸钠，搅拌30min，将反应装置置于冰浴中，缓慢加入8.0g高锰酸钾，搅拌2h，再将反应装置置于水浴35℃中，加入100ml水以及40ml双氧水，反应搅拌过夜。将上述反应溶液离心分离，离心速率为8000rpm，时间为30min，取上清液加Na2CO3中和至中性，采用截留量为2000的透析袋透析3天，得到水溶性的石墨烯量子点。
实施例5
将天然煤块通过机械力碾碎过筛得到800目粉料，取1g煤粉与0.6mol浓硫酸／浓硝酸(V／V=3∶1)在烧杯中混合并放入超声池超声30min，然后放入冰箱冷冻过夜。取出后缓慢加入0.6g硝酸钠，搅拌30min，将反应装置置于冰浴中，缓慢加入8.0g高锰酸钾，搅拌2h，再将反应装置置于水浴35℃中，加入60ml水以及40ml双氧水，反应搅拌过夜。将上述反应溶液离心分离，离心速率为10000rpm，时间为20min，取上清液加Na2CO3中和至中性，采用截留量为2000的透析袋透析3天，得到水溶性的石墨烯量子点。

Claims (9)

1.一种煤基石墨烯量子点的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)原料预处理
煤块的研磨：将天然煤块作为原材料，通过机械力碾碎成不同尺寸的粉料，利用不同目数的筛子过筛，获得不同尺寸的煤粉料作为原材料：
(2)水溶性石墨烯量子点的制备
使用改进Hummers法制备石墨烯量子点：将煤粉料与强酸混合后放入超声池超声处理，然后放入冰箱冷冻过夜，取出后缓慢加入硝酸钠并继续搅拌30min，将反应装置置于冰浴中，缓慢加入高锰酸钾并搅拌30min，再将反应装置置于35℃水浴中，加入去离子水以及双氧水，反应搅拌过夜，最后将上述反应溶液离心分离，取上清液加碱性反应物中和至中性，透析去除盐分后即得到水溶性的石墨烯量子点。
2.根据权利要求1所述的一种煤基石墨烯量子点的制备方法，其特征在于，所述的煤粉料的尺寸为100～1000目。
3.根据权利要求1所述的一种煤基石墨烯量子点的制备方法，其特征在于，所述的强酸为浓硫酸、浓硝酸中的一种或两者混合物，其加入量为每克煤粉料原料添加0.1～0.8mol。
4.根据权利要求1所述的一种煤基石墨烯量子点的制备方法，其特征在于，所述的硝酸钠的加入量为每克煤粉料原料加0.2～1.0g，所述的高锰酸钾的加入量为每克煤粉料原料加2.0～8.0g。
5.根据权利要求1所述的一种煤基石墨烯量子点的制备方法，其特征在于，所述的去离子水的加入量为每克煤粉料原料加40～100ml，所述的双氧水水的加入量为每克煤粉料原料加5～40ml双氧水。
6.根据权利要求1所述的一种煤基石墨烯量子点的制备方法，其特征在于，所述的离心分离的速率为8000～20000rpm，时间为10～60min。
7.根据权利要求1所述的一种煤基石墨烯量子点的制备方法，其特征在于，所述的碱性反应物为NaCO3、NaOH或KOH。
8.根据权利要求1所述的一种煤基石墨烯量子点的制备方法，其特征在于，所述的透析袋截留量为1000～3000Da。
9.根据权利要求1所述的一种煤基石墨烯量子点的制备方法，其特征在于，通过调节煤粉原料的尺寸、反应温度和时间、离心分离速率和时间以及透析袋的截留量得到尺寸可控的水溶性石墨烯量子点。
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