[发明专利]一种高品质氮掺杂石墨烯量子点的制备方法

说明书

本发明提供了一种自下而上的氮掺杂石墨烯量子点制备方法，该方法包括了以下两个步骤：1)以柠檬酸与乙二胺为原料制备氮掺杂石墨烯量子点的“中间体”；2)通过溶剂热法对“中间体”进一步碳化脱水以制备氮掺杂石墨烯量子点。本发明所述的制备方法简单，成本低，能大规模生产。由该方法制得的氮掺杂石墨烯量子点尺寸均一，结晶性良好，氮含量较高，荧光量子产率较高，在水中以及常见的有机溶剂中分散性良好。

技术领域

本发明涉及一种高品质氮掺杂石墨烯量子点的制备方法，属于纳米材料技术领域。

背景技术

石墨烯量子点(GQDs)是指尺寸小于100nm，高度小于10层石墨烯厚的碳核结构，以及边缘键连的化学基团。由于其显著的量子限域效应与边界效应，石墨烯量子点展现出了很多新颖的物理及化学性能，因此它在生物成像、传感、药物传输、光伏器件等方面有着非常好的应用前景。另一方面，由于氮原子的掺杂能有效地调节石墨烯量子的能级结构、诱导形成高的局域电荷，从而提高其光学、电化学及催化性能，因此氮掺杂石墨烯量子点也受到了越来越多的关注。但是，大批量的制备高品质的氮掺杂石墨烯量子点仍然是一个没有完全解决的问题。

目前，石墨烯量子点的制备方法主要分为两大类：“自上而下路线”与“自下而上路线”。前者的反应机制通常被认为是一种缺陷诱导碎裂过程，也就是将块状碳源上的含氧官能团作为反应的活性位点，使其裂解成石墨烯量子点。而后者则是指将一些小分子组装成较大尺寸石墨烯量子点的方法。前一种途径由于需要对大块的碳源进行切割，反应过程中通常会要用到强酸或者强氧化剂以及一些特殊的反应设备，这将使得石墨烯量子点的大规模制备受到限制。相反，后一种途径所采用的反应条件相对柔和。然而，这些方法也存在缺点。例如：催化-开笼法使用的前驱体为C₆₀，其价格较昂贵；逐步化学法涉及的步骤较多，最终获得的石墨烯量子点产率较低；热解剥离法需要将六苯基苯自组装与热解，再进行剥离，官能化与还原，其操作步骤非常繁琐。

水热法恰好具有操作简单，反应条件相对温和，成本低，产物均一等优点。因此，这一方法具有较大的商业可行性。但是，该方法合成的碳点，因其碳化程度较低，sp²碳的含量较少通常不能称为石墨烯量子点。因此，本发明结合水热法与溶剂热法，发展了一种新的制备高品质氮掺杂石墨烯量子点的方法。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有方法成本高、产率低等弊端，提供一种由水热与溶剂热两步大规模制备高质量氮掺杂石墨烯量子点的方法。

本发明目的通过如下技术方案得以实现：

一种氮掺杂石墨烯量子点的制备方法，包括：

1)以柠檬酸与乙二胺为原料，通过水热法制备氮掺杂石墨烯量子点的“中间体”；

2)通过溶剂热法对步骤1)中得到的“中间体”进一步脱水碳化，得到氮掺杂石墨烯量子点。

根据本发明，所述氮掺杂石墨烯量子点的制备方法具体包括如下步骤：

1)将柠檬酸、乙二胺、水混合，于100～300℃下反应，得到氮掺杂石墨烯量子点的“中间体”；

2)将步骤1)中得到的“中间体”与有机溶剂混合，于100～300℃下反应，得到氮掺杂石墨烯量子点。

根据本发明，在步骤1)中，所述柠檬酸与乙二胺的摩尔比优选为1～10:1。柠檬酸在混合后的水溶液中的浓度优选为0.02～1mM。所述柠檬酸、乙二胺、水混合后使用超声使其混合均匀。所述混合液在聚四氟乙烯反应釜中进行高温反应。

根据本发明，在步骤1)中，所述反应温度优选为120～250℃，所述反应时间优选为3～24h，更优选6-12h。反应后优选将所述溶液蒸干，得到氮掺杂石墨烯量子点“中间体”的固体粉末。