[发明专利]一种由碳纳米管转化为石墨烯量子片的方法及制得的石墨烯量子片

说明书

本发明涉及一种由碳纳米管转化为石墨烯量子片的方法及制得的石墨烯量子片。所述方法包括如下步骤：(1)将碳纳米管和助磨材料混合，得到混合粗产物；(2)将步骤(1)所述混合粗产物与初分散溶剂混合，超声，得到石墨烯量子片。本发明的制备方法具有来源广泛、高效环保、操作简单、成本低廉等优点，所制备的石墨烯量子片产率高，其粉体样品可在多种溶剂中获得良好分散，其分散液的浓度最高可达100mg/mL，对于石墨烯量子片的实际应用及大规模生产具有重要的价值。

技术领域

本发明属于无机纳米材料制备技术领域，具体涉及一种由碳纳米管转化为石墨烯量子片的方法及制得的石墨烯量子片。

背景技术

碳纳米管和石墨烯分别自1991年和2004年被发现起就备受科学家瞩目，由于其具有独特的力学、光学、电学性质，迅速成为物理、化学和材料科学等领域的研究热点。

碳纳米管是由石墨烯卷曲而成的无缝、中空的一维纳米材料，其在范德华力和缠绕作用的共同影响下，容易形成多级团聚体。当1D碳纳米管转变为0D石墨烯量子片的时候(通常横向尺寸小于20纳米)，就会暴露出更多的边缘与活性位点，从而具有更大的比表面积、在水相以及溶剂相中更好的稳定性、更易于掺杂与修饰，同时具有突出的量子限域效应，从而在催化、传感、生物成像、光电子器件等领域有重要的应用。

目前用于制备石墨烯量子片的方法主要分为两大类：自下而上法(Bottom-up)和自上而下法(Top-down)。自下而上法是利用小分子或齐聚物在溶液中的一系列化学反应来制备石墨烯量子片，主要优点在于形貌和尺寸可控，但是反应条件苛刻，操作步骤繁琐，后处理比较复杂；自上而下法是通过物理、化学、电化学等手段破坏本体材料的面内化学键和层间范德华力来制备石墨烯量子片，它的主要优点是操作简单，易于规模化生产。但是目前报道的本体材料的来源主要是石墨、炭黑、煤、碳纤维等，而以碳纳米管为本体材料来制备石墨烯量子片的报道较少。大多数研究限制在将其截断成短碳纳米管，例如Science 1998，280，1253采用浓硫酸和浓硝酸在70℃下处理单壁碳纳米管，可以获得多数长度小于400nm的碳纳米管。CN101164873报道了采用Fenton反应截断碳纳米管的方法，该方法是在酸化的碳纳米管外包裹过渡金属氧化物，然后在芳香族溶液中，加入过渡金属氧化物包裹的碳纳米管和双氧水，从而得到截断的碳纳米管。Carbon 2005，43，994选择低能球磨对多壁碳纳米管进行长时间的干法球磨处理，当球磨时间延长至200h时，可以获得平均长度约为130nm的碳纳米管，并且管径没有出现明显的变化。

由于以碳纳米管为本体材料制备的石墨烯量子片的独特性能，近年来也出现了一些相应的制备方法，例如CN201210525033通过在碳纳米管中加入硝酸和硫酸的混合溶液，然后经过水浴加热、磁力搅拌、渗析、超滤离心和萃取等步骤，制备了具有荧光效应的石墨烯量子点。Chem.Eur.J.2012，18，12522以电化学锂离子插层的方法以多壁碳纳米管为起始材料制备出了尺寸可调的绿色发光石墨烯量子点，但是存在操作复杂，产率较低，难以规模化生产的缺点。Materials Chemistry and Physics 2012，137，12借助半胱胺酸从氧化的碳纳米管悬浮液中分离出荧光纳米石墨烯量子点，荧光量子产率达到10％。ScientificReports 2016，6，38423采用脉冲激光剥离(PLE)技术，以多壁碳纳米管作为碳源，生产出了大小和形状均匀的石墨烯量子点，其在高亮度和高分辨率下发出明显的蓝光，量子产率高达12％，适用于生物和光电应用。Catalysis Communications 2016，74，104采用一种改进的“Hummers”方法，通过化学剥落多壁碳纳米管，得到尺寸非常均匀，并且具有很强电子特性的石墨烯量子点。但是这种方法反应条件苛刻，后处理比较麻烦。J.Mater.Chem.B.2017，5，785将多壁碳纳米管经过化学氧化、水热处理以及后续多步纯化的方法制备了平均尺寸3nm左右的石墨烯量子点，合成的石墨烯量子点可以有效地抑制细菌生长，并且具有低细胞毒性，在生物医学领域有着潜在的应用。