[发明专利]一种氮掺杂荧光石墨烯量子点及其制备方法

说明书

本发明公开了一种氮掺杂荧光石墨烯量子点及其制备方法。将甘氨酸加入超纯水中，搅拌后加入柠檬酸钠溶液，转移到内衬为聚四氟乙烯的高压反应釜中反应，高速离心，得氮掺杂荧光石墨烯量子点溶液，经旋转蒸发、真空冷冻干燥后得氮掺杂荧光石墨烯量子点白色固体粉末。氮掺杂荧光石墨烯量子点粒径为3~10nm，形貌为球形，含N元素，其溶液具强烈的蓝紫色荧光，最大发射峰值在440~460nm处，最大激发波长为360~380nm；其固体粉末能发出强烈的蓝色荧光，最大发射峰值在420~450nm处，最大激发波长为360~380nm。本发明操作简单，制备的氮掺杂荧光石墨烯量子点稳定性好，具有良好的水溶性。

技术领域

本发明涉及一种稳定的可见光区发光的氮掺杂石墨烯荧光量子点及其制备方法，属功能纳米材料技术领域。

背景技术

碳在自然界主要以石墨、金刚石、碳纳米管等形式存在。碳材料是一种环境友好的材料，近年来在能源与材料、生物方面得到人们广泛的关注。比如石墨烯，以其优良的光电性能使其在光电材料、新能源、催化、生物医用纳米材料等领域发挥着十分重要的作用。近年来，通过调控石墨烯的尺寸和表面功能化，人们将石墨烯开发成为一种新型的荧光材料。石墨烯量子点具有优于传统荧光材料的光稳定性和低的生物毒性，是绿色、经济的新兴荧光纳米材料。由于墨烯量子点具有结构可控，发光的可调并且可以批量生产的优越的条件，使得合成高质量的高荧光量子产率的石墨烯量子点成为近几年研究的热点之一。

天津工业大学张坤、张志秋等以柠檬酸为碳源，碳酸铵为氮源，在180℃下水热12小时制备了氮掺杂石墨烯量子点。河南大学王云晶、刘迎秋等在100 ℃水热条件下，用氨水处理石墨烯量子点制备得到氮掺杂石墨烯量子点，其荧光量子产率为9.6%。西北大学张冬梅、田磊等以柠檬酸为碳源、尿素为氮源与160℃下水热4小时得到量子产率为18%的氮掺杂石墨烯量子点。上述的氮掺杂石墨烯量子点制备过程复杂、繁琐，需要精准调节反应溶液pH值，以及制备的石墨烯量子点量子产率较低，不同的含氮原材料选择也会极大的限制其在生物、能源方面的潜在应用。基于此，本发明选择了对环境友好的甘氨酸为含氮原材料、甘氨酸和柠檬酸钠为混合碳源，优化制备工艺，一步法水热合成稳定的高荧光量子产率的氮掺杂石墨烯荧光量子点。

发明内容

本发明目的在于提供一种稳定、量子产率高、生产成本低的氮掺杂石墨烯荧光量子点及其制备方法。

本发明涉及的氮掺杂荧光石墨烯量子点形貌为球形，粒径为3~10nm，量子点的晶面间距为0.34nm，0.21nm，分别对应石墨烯的002和100晶面；氮掺杂荧光石墨烯量子点溶液为无色透明，能发射强烈的蓝紫色荧光，其最大激发波长为360~380nm，最大发射峰位于440~460nm处，量子产率为22~31%；氮掺杂荧光石墨烯量子点溶液通过旋转蒸发、真空冷冻干燥能够制成石墨烯量子点白色粉末状固体，该固体粉末能够发射强烈的蓝色荧光，其最佳激发波长为360~380nm，最大发射峰值在420~450nm处，该固体能够在室温下储存三个月以上。

氮掺杂荧光石墨烯量子点制备方法具体步骤为：

（1）将0.0003~0.0012mol分析纯甘氨酸加入35~41mL超纯水中，搅拌5~10分钟后加入9~15mL浓度为 0.1mol/L的柠檬酸钠溶液，得到无色透明溶液。

（2）将步骤（1）所得溶液装入内衬为聚四氟乙烯的高压反应釜中，在160~200℃下反应8~14小时；反应完成后在9000~12000r/min离心5~10分钟，取上层清液，即得氮掺杂石墨烯荧光量子点溶液。

（3）将步骤（2）所得上层清液进行旋转蒸发、真空冷冻干燥，得到氮掺杂石墨烯荧光量子点白色固体粉末。

（4）将步骤（3）所得固体粉末进行荧光性能测试，其最佳激发波长为360~380nm，最大发射峰值在420~450nm处。