[发明专利]一种尺寸均匀的石墨烯量子点的制备方法及其应用

说明书

本发明提供了一种尺寸均匀的石墨烯量子点的制备方法及其应用，该方法采用从上到下的策略，以氧化石墨烯为原料，利用超声辅助水热的方法，以超声的机械应力辅助硝酸的强氧化作用对碳碳键进行切割，然后再进行高温热处理制得了尺寸分布均匀且纯净的石墨烯量子点材料。该方法工艺简单，条件温和，制备的石墨烯量子点纯净度较好、粒径小且尺寸分布均匀。作为储能器件的电极材料，制得的石墨烯量子点材料表现出优良的导电性、高的比容量、优秀的倍率性能、快速的离子吸附及传输速率和循环使用寿命，在储能器件领域有着良好的应用潜力。

技术领域

本发明涉及纳米材料技术领域，具体涉及一种尺寸分布均匀的石墨烯量子点的制备方法。

背景技术

近年来，碳质材料由于兼具高的导电性、低成本、绿色无毒、化学稳定性高、使用温度范围宽等优点被广泛应用在各个领域中。石墨烯(G)作为新型碳材料是由sp²杂化的碳原子键合呈现规则六角晶格结构的单层碳原子组成的平面二维原子晶体。自2004年被发现以来，因其独有的物理化学性质在纳米技术领域得到了广泛的研究，尤其是高的导电性和快速的吸附离子能力使石墨烯材料在锂离子电池或超级电容器的电极材料领域得到了广泛应用。然而，石墨烯的层间堆叠会导致导电导热性下降；在制备过程中的结构缺陷也将使其导电导热性大幅度降低。所以一直以来石墨烯在制备过程中的纯净无法保证，自身的团聚问题也无法得到很好的解决，这就限制了其在储能领域的应用。

把高度结晶的单原子或少数原子厚度的石墨烯的尺寸限制在100纳米以下形成的这类超细石墨烯纳米片被称为石墨烯量子点(GQDs)。作为一种新型的零维碳纳米粒子，由于量子点的强量子限域效应和边缘效应，能够使晶格内部产生能带隙。而如果能将石墨烯量子的尺寸控制在10纳米以下，其量子限域效应和边缘效将会显著增强，会使得石墨烯量子点被赋予新的物理性质，如光致发光、高导电性、化学惰性、优异的稳定性和环境友好性。此外，由于石墨烯量子点的纳米级结构，在纯石墨烯平面中引入了大量的结构缺陷和边缘状态，从而限制了能量带隙和定域电荷载体，使其具有较高的表面积和优良的电子运输能力。

但是，GQDs的共轭电子结构和特定属性取决于边缘电子状态和对尺寸大小依赖的量子约束，这使其在制备过程中需要面对精确控制尺寸大小的挑战。一般来说，GQDs的合成路线可以分成自上而下和自下而上两种方法。然而，自下而上的方法要求严格而复杂的反应条件和特定的有机材料，而且准备工作必须使用复杂的过程步骤。与自下而上的策略相比，自上而下的方法能够更有效地控制生产条件。这种自上而下的方法主要有强酸强碱氧化、高温热液、紫外刻蚀法、微波法、电子束刻蚀等。

然而，现有工艺步骤繁琐、过程复杂、成本昂贵、产率较低且无法控制尺寸，不适合批量生产和应用。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术的不足和缺点，提供一种过程简单且尺寸可控的制备尺寸均匀的石墨烯量子点的方法。本发明制得的石墨烯量子点在作为储能器件的电极材料领域有很好的发展前景。

为达到上述目的，本发明采用以下的技术方案予以实现：

一种尺寸均匀的石墨烯量子点的制备方法，其制备方法为：以氧化石墨烯为原料，通过在硝酸环境下超声处理，使氧化石墨烯进一步氧化并在其上附着更多的环氧官能团。然后，在水热条件的帮助下，氧化石墨烯被剪切成尺寸一致的量子点材料(1-5纳米)。最后，通过高温热处理消除量子点边缘含氧功能基团，并使在氧化过程中剩下的硝酸蒸发，得到尺寸小于5纳米的石墨烯量子点材料。

优选地，制备步骤具体如下：

(1)氧化石墨烯的制备：以石墨粉、硝酸钠、高锰酸钾、浓硫酸为原料，采用hummers法制得氧化石墨烯粉体；

(2)超声预处理：将25-100mg氧化石墨烯分散在50ml浓硝酸溶液中超声一段时间，获得橙黄色的分散液；