[发明专利]一种二维片层碳纳米荧光材料

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有突出荧光性能二维片层碳纳米荧光材料。

背景技术

碳元素广泛存在于地球上的各种生物、非生物体内，在生物进化中起着非常重要的作用，碳是组成生物体等有机物质的最基本的元素。对于碳单质的同质异形体非常多，在生产科研等领域具有广泛应用的包括金刚石、石墨、碳纳米管、富勒烯、石墨烯、碳纳米纤维等。

随着对碳材料的研究不断深入，尤其是石墨烯的发现，二维碳纳米材料逐渐引起了人们的关注。二维碳纳米材料只有一维处于纳米尺度范围，一般是片层状结构。二维碳纳米材料具有大比表面积、稳定的化学性质、高弹性等优异的性能，在场发射、光电、催化等诸多领域具有广泛的应用。典型的二维片层碳纳米材料包括石墨烯、碳纳米片等。

石墨烯（graphene）是指由碳原子紧密堆积成的具有二维蜂窝状晶格结构的单层石墨片。自2004年获得稳定存在的石墨烯后，其优异的性能使其在短短几年时间内成为凝聚态物理、材料科学和电子科技等领域最具活力的研究课题。目前石墨烯的制备方法主要有：机械剥离法、化学剥离、化学气相沉积法等。

机械剥离法：这种方法是利用机械剥离的方式从高纯石墨晶体表面剥离出石墨烯。其特点是：制备方法简单易操作，易于获得高质量石墨烯，但是该方法制备效率低下，成本高。

化学剥离法：此方法是对石墨进行氧化处理，增大石墨层间距。经过超声处理，这种大间距的石墨层极易分开，形成氧化石墨烯溶液。通过对该溶液进行还原处理，就可以得到石墨烯。其特点是操作简单，成本低，但是产物质量差、缺陷较多，物理化学性质有明显降低。

化学气相沉积法：利用高温裂解碳源气体，在铁或镍催化剂存在的条件下，获得石墨烯片层。其的特点是以相对较低的成本制备大面积的高质量石墨烯，但是由于有产物转移等诸多繁琐的过程，这种方法的操作难度很大，产量和成本控制仍然难以满足生产、科研需求。

不同于石墨烯，碳纳米片一般由多层或数十层石墨片层构成，其制备方法主相对简单并且单一，主要是是以化学气相沉积技术为基础，包括：热丝化学气相沉积、微波等离子体增强化学气相沉积、射频等离子体化学气相沉积等。

热丝化学气相沉积：以碳氢气体为碳源，在几百到几千度的温度下均可以制备出碳纳米片。随着气体浓度，温度的变化产物的产量、厚度、有序度均会发生变化。

微波等离子体增强化学气相沉积：以碳氢气体为碳源，微波源功率通常在500W以上，生长温度在700℃左右。这种方法生长的碳纳米片的厚度，高度、生长速率等受到微波源功率，反应气体压强，气体浓度等诸多因素的影响。

射频等离子体化学气相沉积：以碳氢气体为碳源，射频功率为900w，生长温度为700℃左右。碳纳米片的生长速度和气体碳源的浓度以及温度有关系。

在荧光材料领域，典型的荧光材料主要包括：氧化物、硫化物、氟化物和复合氧化物等几类。在这几类荧光材料中氟化物的声子能量较小，氧化物的声子能量最大。根据物质类型，传统的荧光材料又可以分为无机荧光材料和有机荧光材料。无机荧光材料中最为重要的部分是稀土荧光材料或者稀土基荧光材料。稀土荧光材料具有独特的光谱结构和优异的光学特性，其发射光谱呈线状，具有色彩鲜艳、发光寿命长、耐高温、高激发能量密度、高流明当量等特点。根据发光类型可以分为阴极发光、X射线荧光以及光致发光三类。

无机荧光材料的制备方法多种多样，目前主要有：溶胶-凝胶法、以金属有机化合物为前驱体的化学液相法、水热法、溶剂热法等。

溶胶-凝胶法制备方法的优点是：简单，适用性强，制备材料的结晶性也好；缺点是：制备的荧光材料的颗粒均匀性、分散性差，形貌也比较难控制。

化学液相法的优点：可以制备直径小于100 nm的均匀分散颗粒；缺点是：由于大量使用金属有机化合物，反应温度较高，需要无氧条件，反应毒性大，适用范围小不适于大规模制备。

水热法和溶剂热法优点是：在氟化物、氧化物等荧光材料制备中应用广泛，材料结晶度、分散性能较好并且易于实现材料的掺杂复合；缺点是：这种方法的可控性差，可控的水热法、溶剂热法的实现还有待进一步探究。

对于有机荧光材料，种类繁多，有机分子中含有如=C=O、-N=O等荧光基团并且这些基团是分子共轭体系的一部分时，该有机物就可能体现较好的荧光特性。有机荧光材料按结构大致可以分为三类，包括具有刚性结构的芳香稠环化合物、具有共轭结构的分子内电荷转移化合物以及金属有机配合物。