[发明专利]用于从煤和焦炭制备石墨烯量子点的方法

说明书

相关申请的交叉参考

本申请要求2013年5月2日提交的美国临时专利申请号61/818,800的优先权。上述申请的全部内容通过援引纳入于此。

关于联邦资助研究的声明

本发明是在美国国防部授予的基金号FA9550-09-1-0581；美国国防部授予的基金号FA9550-12-1-0035；和美国国防部授予的基金号N00014-09-1-1066的政府资助下进行的。政府享有本发明的某些权利。

背景

石墨烯量子点(GQD)应用于许多领域。然而，制备石墨烯量子点的现有方法受到各种限制，包含质量、产率和效率。本发明解决了这些限制。

概述

在一些实施方式中，本发明涉及从碳源制备石墨烯量子点的方法。在一些实施方式中，碳源选自下组：煤、焦炭及其组合。在一些实施方式中，该方法包含使碳源暴露于氧化剂。使碳源暴露于氧化剂导致形成石墨烯量子点。

在一些实施方式中，碳源包含焦炭、烟煤、无烟煤及其组合中的至少一种。在一些实施方式中，氧化剂是硫酸和硝酸的混合物。

在一些实施方式中，通过在氧化剂存在下对碳源进行超声处理，来使碳源暴露于氧化剂。在一些实施方式中，使碳源暴露于氧化剂包含在氧化剂存在下加热碳源。

在一些实施方式中，本发明的方法还包括下述步骤：将形成的石墨烯量子点与氧化剂分离。在一些实施方式中，通过中和包含形成的石墨烯量子点的溶液、过滤该溶液和透析该溶液来进行分离。在一些实施方式中，通过交叉流动过滤、用氢氧化钠溶液洗涤、水热处理和这些步骤的组合来进行分离。

在一些实施方式中，本发明的方法还包括下述步骤：对形成的石墨烯量子点进行还原。在一些实施方式中，还原包含使形成的石墨烯量子点暴露于还原剂，例如肼、硼氢化钠、热量、光、硫、硫化钠、硫氢化钠及其组合。

在一些实施方式中，本发明的方法还包括下述步骤：提高石墨烯量子点的量子产率。在一些实施方式中，通过水热处理石墨烯量子点、使用一种或多种碱(例如，氢氧化钠)处理石墨烯量子点、使用一种或多种掺杂剂(例如，NaH₃，NaHSe，NaH₂PO₃)处理石墨烯量子点以及这些处理的组合，来进行所述提高。

在其它实施方式中，本发明的方法还包括下述步骤：控制形成的石墨烯量子点的直径。在一些实施方式中，控制包含选择碳源。例如，在一些实施方式中，选择的碳源是烟煤，形成的石墨烯量子点的直径是约1nm-约5nm。在一些实施方式中，选择的碳源是无烟煤，形成的石墨烯量子点的直径是约10nm-约50nm。在一些实施方式中，选择的碳源是焦炭，形成的石墨烯量子点的直径是约2nm-约10nm。

在一些实施方式中，形成的石墨烯量子点具有晶体六方结构。在一些实施方式中，形成的石墨烯量子点具有单一层。在一些实施方式中，形成的石墨烯量子点具有多个层，例如约两个层至约四个层。在一些实施方式中，使用多个官能团，例如无定形碳、氧基团、羰基、羧基、酯、胺、酰胺及其组合，来对形成的石墨烯量子点进行官能化。在一些实施方式中，形成的石墨烯量子点在它们的边缘包含氧端附加基或无定形碳端附加基。

附图说明

图1提供从碳源制备石墨烯量子点(GQD)的方法的示意图。

图2提供涉及从烟煤制备的GQD(b-GQD)的合成和表征的示意图和数据。图2A提供烟煤的宏观图象和简化的说明性纳米结构。图2B提供研磨的烟煤的扫描电子显微镜(SEM)图象，其直径是1微米-几百微米。图2C提供合成b-GQD的示意图。氧化的位点用红色显示。图2D提供b-GQD的透视电子显微镜(TEM)图象，其显示规则的尺寸和形状分布。图2E显示来自图2D的b-GQD代表性高分辨TEM(HRTEM)图象。插图是二维快速傅立叶变换(2DFFT)图象，其显示这些量子点的晶体六方结构。图2F是b-GQD的原子力显微镜(AFM)图象，显示高度为1.5nm-3nm。

图3提供不同碳源的SEM图象。图3A提供无烟煤的SEM图象，其显示不规则的尺寸和形状分布，且直径是1微米-几百微米。比例尺是1微米。图3B提供焦炭的SEM图象，其显示正常的球形形状，直径为约110微米。比例尺是300微米。