[发明专利]一种煤中提取石墨烯量子点的方法

说明书

技术领域

本发明属于材料制备领域，具体涉及一种煤中提取石墨烯量子点的方法。

背景技术

发光纳米颗粒在光电子器件、生物标记以及生物医药领域具有重要的应用价值。半导体量子点如CdS，CdSe，CdTe，CdSe/ZnSe，PbS，Si等虽然具有尺寸可控、发射波长的范围较窄和较高的发光量子产率的优点，但是由于其水溶性不好、化学稳定性差且大部分具有较强毒性等缺点而使其应用受到很大的限制，特别是在生物医药领域。

和上述常见的半导体量子点相比，石墨烯量子点（graphene quantum dots, GQDs）有很多优势，诸如良好的化学稳定性性和生物相容性以及低毒性等等，从而获得越来越多的重视。然而作为一种新兴的纳米材料，已经有少关于GQDs的制备方法。目前制备方法主要可以分为“bottom-up”和“top-down”两类。“bottom-up”方法主要是指通过热处理（包括水热、直接加热等）把某些特殊的有机物（如柠檬酸、葡萄糖、淀粉或某些较大分子量的芳香族化合物等）转化为水溶性的具有石墨烯结构特征的纳米片，“top-down”方法主要是指通过化学氧化、电化学氧化、水热或溶剂热等手段把某些大尺寸的碳材料（如碳纳米管、碳纤维、石墨、氧化石墨烯、碳黑等）切割成小尺寸的石墨烯纳米片。然而从大规模生产GQDs的角度考虑，这些方法都存在着不少明显的不足之处。例如仪器昂贵，过程复杂，产率低下，难以提纯等等，特别是所用的源材料都相对昂贵，不适用于大规模生产。因此搜索一种简单、有效、廉价、适合于大规模生产的合成GQDs的方法是一项非常有挑战性的工作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种煤中提取石墨烯量子点的方法，该方法操作简单、成本低廉，产率高。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种煤中提取石墨烯量子点的方法包括以下步骤：

a、将煤粉加入盐酸溶液中进行搅拌回流；

b、停止回流，过滤，用去离子水反复洗涤煤粉，烘干；

c、将干燥后的煤粉与硝酸溶液搅拌回流；

d、停止回流，冷却，过滤，干燥滤液，即得石墨烯量子点粉末。

步骤a所述的煤包括无烟煤、烟煤、亚烟煤、泥碳。

步骤a所述的盐酸溶液的浓度为1~12 mol/L。

步骤a所述的煤粉与盐酸溶液的用量比例为每100mL 盐酸溶液中加入0.5～50g 煤粉。

步骤a所述的回流温度为20～200℃，回流时间为10～30h。

步骤c所述的硝酸溶液的浓度为1~16 mol/L。

步骤c所述的煤粉与硝酸溶液的用量比例为每100mL 硝酸溶液中加入0.5～50g 煤粉。

步骤c所述的回流温度为20～200℃，回流时间为10～30h。

步骤d所述的滤液干燥温度为20～200℃。

所述的石墨烯量子点是平面尺寸为1~100纳米，厚度为0.3~10纳米的单层或多层石墨烯纳米片。

本发明的显著优点在于：本发明采用廉价易得的煤作为原料，通过化学氧化从活性碳中提取水溶性GQDs。煤是一种天然的矿石燃料，大量并且广泛地分布于世界各地。煤中含有大量的石墨组分，并且这些石墨组分主要以纳米尺度的碎片形式存在。通过与氧化性酸回流，可以使这些石墨结构的碎片表面被氧化成羧基，并被最终释放到溶液中。该制备方法除了原料廉价易得以外，其制备过程也特别简单，无需特殊的实验仪器，产品产率很高并且容易提纯，所得GQDs厚度均一（基本为单层）且平面尺度也相对均一，因此该方法特别适合于大规模生产GQDs。通过化学氧化法从煤中提取的GQDs水溶性好、荧光和电致化学发光性能良好。

附图说明

图1为GQDs的场发射透射电镜图（左）和原子力显微镜图(右)。

图2为GQDs的拉曼光谱（a）、X射线粉末衍射图（b）、C1s的X射线光电子能谱（c）、红外吸收光谱（d）。

图3 为GQDs的紫外吸收光谱及不同激发波长条件下的发射光谱。插图为GQD水溶液在可见光及365nm紫外下的光学图片。