[发明专利]一种石墨烯量子点的大规模制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料制备技术领域，特别是涉及一种石墨烯量子点的大规模制备方法。

背景技术

自从2004年英国曼彻斯特大学的Andre Geim及Konstantin Novoselof首次成功剥离热解石墨并观测到石墨烯以来，学界内对于新型碳材料的研究热度就一直没有消退过。石墨烯的成功分离意味着理论对于二维晶体热力学不稳定的预言被破除，也就带来了许多新领域研究的可能。

完美的石墨烯具有理想的二维结构，它由六边形晶格组成，每个碳原子通过σ键在晶格平面方向上与其他的三个碳原子结合，未成σ键的电子则作为π电子，组成了垂直于晶格平面的π轨道体系。π电子可在平面上任意移动。但更为重要的是，由于石墨烯特有的结构，其能带结构呈狄拉克锥的形式，而在狄拉克点上，石墨烯的导带和价带重合，因此在其狄拉克点上电子和空穴的有效质量皆为零，对应的电子和空穴的迁移率都相同且无限接近于无穷大，这意味着其载子既可以是空穴也可以是电子，且其载子迁移率极大，因此理想的石墨烯应当具有极好的导电性，预测其能够承受比铜高六个数量级的电流密度。

目前的研究对于大片层的石墨烯已经有一系列激动人心的研究工作已经发表，而对于二维的片层尺度大小被束缚在玻尔半径的石墨烯及氧化石墨烯颗粒的研究，也正如火如荼的进行着。对于这样的石墨烯颗粒，由于保留了一定的氧化官能团或缺陷，且尺寸变小，故其能带并非连续，由此导致其载子可被激发。载子被激发后形成激子，而激子又被限制在了该石墨烯的三个空间方向的能带隙里，单层石墨烯厚度在1nm左右，片层大小在玻尔半径左右，由于这样的石墨烯对应的能带隙较大，这导致激子退激发后形成的激光发射波长较宽，具有极好的激光特性。而这类石墨烯颗粒，有类似无机材料中的半导体量子点所具有的特性，因此被称之为石墨烯量子点，石墨烯量子点的半径在波尔半径之内，其无毒无害，荧光波长窄，激光波长宽，在发光二级管（LED）和生物成像以及光伏器件和传感器上能起到极好的应用。

目前对于石墨烯量子点的研究中，主要采用的制备方法有四种。这四种方法分别是对石墨烯进行再氧化的二次氧化法、从有机小分子出发的有机合成法、电子束或离子束蚀刻的方法以及对碳材料进行微观切割的方法。这当中，二次氧化法需要先制备出高品质的石墨烯材料，才能进行好后续的氧化步骤，成本较高，也不利于工业化；有机合成法所涉及工艺复杂且繁琐，不利于工业生产；电子或离子束蚀刻的方法则存在产量小，无法大批量生产的问题；对碳材料进行微观切割的方法也存在步骤复杂且产率较低的缺陷。因此，提出一种工艺简单，且能够大规模制备石墨烯量子点的方法，对于推动量子点研究的进展，是势在必行的。

发明内容

基于此，有必要提供一种工艺简单、产率较高的石墨烯量子点的大规模制备方法，以大规模制备石墨烯量子点。

一种石墨烯量子点的大规模制备方法，包括如下步骤：

将氧化石墨烯加入第一溶剂中，均匀分散得到第一分散液，将还原剂加入所述第一分散液中，均匀分散得到混合液；

将所述混合液于500瓦～800瓦的微波环境中反应10分钟～60分钟，冷却后进行固液分离，取固体，得到粗产物；

将还原性多羟基醛及有机酸中的一种与所述粗产物进行混合，加入路易斯酸，混合均匀得到混合物，将所述混合物加入第二溶剂中，均匀分散得到第二分散液；及

将所述第二分散液于500瓦～800瓦微波环境中反应0.2小时～1小时，然后于120瓦～300瓦的超声环境下剥离2小时～3小时，分离纯化后得到所述石墨烯量子点。

在其中一个实施例中，将所述混合液于500瓦～800瓦的微波环境中反应10分钟～60分钟的步骤之前，包括超声搅拌的步骤，所述超声搅拌的步骤具体为：将所述混合液于120瓦～300瓦的超声环境下搅拌0.5小时～4小时。

在其中一个实施例中，将所述第二分散液于500瓦～800瓦微波环境中反应0.2小时～1小时的步骤之前，还包括超声分散的步骤，所述超声分散的步骤具体为：将所述第二分散液于120瓦～300瓦的超声环境中分散0.5小时～2小时。

在其中一个实施例中，所述第一溶剂和第二溶剂均选自水、二甲氧基乙烷、聚乙烯醇的水溶液、丙三醇、三缩二乙二醇及N-甲基吡咯烷酮中的至少一种。

在其中一个实施例中，所述第一分散液中，所述氧化石墨烯的浓度为2毫克/毫升～10毫克/毫升。

在其中一个实施例中，所述还原剂选自柠檬酸、葡萄糖酸、甲酸、抗坏血酸、草酸、柠檬酸钠、葡萄糖酸钠、甲酸钠、抗坏血酸钠及草酸钠中的至少一种。