[发明专利]一种氮掺杂石墨烯量子点的化学制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氮掺杂石墨烯量子点（N-GQDS）的制备方法，属于纳米材料技术领域。

背景技术

自2004年英国曼彻斯特大学Geim等发现单层石墨烯以来，由于其独特优良的物理化学性质，石墨烯在微电子、功能材料、化学传感等研究领域都表现出广阔的应用前景。近年来，石墨烯量子点作为一种新型的量子点，因其独特的性能引起了人们的广泛研究兴趣。与石墨烯相比，石墨烯量子点表现出更强的量子限域效应和边界效应，此外，石墨烯量子点还表现出低的细胞毒性，良好的水溶性，化学惰性，稳定的光致发光等性能，使其在光电器件、传感器、生物成像等方面有较好的应用前景。

石墨烯量子点的制备方法主要有自上而下和自下而上两大类。自上而下的方法主要是通过物理或者化学的方法将大尺寸的石墨烯、碳纳米管、碳纳米纤维等碳材料切割成小尺寸的石墨烯量子点，如水热法、酸氧化法、电化学方法等；自下而上的方法则主要是以小分子作为前驱体，通过一系列化学反应最终得到石墨烯量子点。但是，目前批量生产石墨烯量子点尚存在成本昂贵、工艺繁琐、产率较低等一系列技术难题。

杂原子掺杂可以有效调节碳材料的能级结构、光学性质、电学及表面化学特性。氮原子具有五个价电子，和碳原子有着相当的原子尺寸大小已经被广泛用于碳材料的化学掺杂，如氮掺杂碳纳米管（N-CNT)等。据文献报道，氮原子掺杂到石墨烯材料里能有效石墨烯材料的带隙，拓展其在细胞成像、电池及分析等领域的应用。因此，本发明发展了一种新的方法制备氮杂石墨烯量子点（N-GQDS）。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术成本昂贵、工艺繁琐、产率较低等不足和缺点，提供一种新颖的制备氮杂石墨烯量子点的方法。这种方法采用氧化石墨为原料，通过加入氮源在高温退火的条件下实现氮杂石墨烯的成功制备，然后基于氮杂石墨烯分别通过强酸氧化剥离和水热反应最终制得具有强的荧光效应和良好水溶性的氮杂石墨烯量子点（N-GQDS）。

本发明提供的一种氮掺杂石墨烯量子点（N-GQDS）的制备方法，按照以下步骤进行：

（1）氮杂石墨烯的制备

在烧杯中加入氧化石墨和甘氨酸，分散在去离子水中（用量控制为可分散溶剂即可，不宜太多），所得的混合物超声后转移至氧化铝瓷舟中；将上述氧化铝瓷舟置于管式炉中升温至预定温度之后保温，然后冷却，得到氮杂石墨烯片。

（2）氮杂石墨烯量子点（N-GQDS）的制备

A. 将步骤（1）中所得的氮杂石墨烯片分散在浓硝酸和浓硫酸的混合溶剂中，

超声，然后将其用去离子水稀释使其降温，接着用微孔滤膜除去其中的酸得到氧化的氮杂石墨烯片。

B. 将步骤A得到的氧化的氮杂石墨烯片重新分散在去离子水中，调节其pH

值；最后，该分散液被转移至聚四氟乙烯的反应釜中，保温反应，待冷却至室温时，再次用微孔滤膜过滤后收集滤液。

C. 将上述反应所得滤液放入透析袋中透析，即可得纯净的氮杂石墨烯量子

点（N-GQDS）溶液。

其中，步骤（1）中所述的甘氨酸与氧化石墨的质量比为6-10:1；所述混合物超声时间为2小时；所述升温至预定温度之后保温具体操作为在氩气氛围下以5 ^oC/min的速度升温至500 ^oC，保持温度2个小时。

其中，步骤（2）的A中所述氮杂石墨烯片、浓硝酸和浓硫酸的用量比为50 mg：20-40 mL：5-20 mL；所述超声时间为16-24小时；所述的微孔滤膜为纤维素过滤膜；所述的的浓硝酸和浓硫酸为实验室的常用标准品，浓度分别为64-68 wt%，95-98 wt%。

其中，步骤（2）B中所述调节pH为用浓度为5 mol/L的氢氧化钠溶液调节其pH值至8；所述保温反应为保持200 ^oC反应10小时。

其中，步骤（2）C中所述透析袋的截留量为8000-14000 Da，透析时间为3-4天。

本发明的有益效果为：

（1）本发明提供的氮杂石墨烯量子点的合成方法合成工艺简单，所需原料均为市场上便宜易得的原料，提供了一种制备氮杂石墨烯量子点的新方法；

（2）本发明制备的氮杂石墨烯量子点纯度和产率都较高、单分散性，水溶性好且具有非常强的蓝色荧光性能，可以展望其在锂电池、微型超级电容器、生物荧光标记和太阳能电池等应用领域有着非常好的应用前景。

附图说明

图1为氮杂石墨烯量子点（N-GQDS）的的透射电镜图；