[发明专利]金属离子配位催化制备氮掺杂石墨烯量子点的方法

说明书

技术领域

本公开涉及氮掺杂石墨烯量子点（N-GQDs）的金属离子配位催化制备技术，涉及量子点材料制备领域。

背景技术

2004年Geim（K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva,  A. A. Firsov,  Science, 2004, 306, 666–669）通过一个简单的剥离块状石墨的方法成功的获得了片层的石墨烯，揭开了碳材料崭新的一页。由于其优异的光学、电学、热学及机械性能，越来越多的科学工作者致力于制备各种基于石墨烯的衍生材料，如二维的基于石墨烯的复合材料、一维的石墨烯纳米带、零维的尺寸小于100 nm的石墨烯量子点。在这些石墨烯衍生材料中，石墨烯量子点由于量子局限效应和边沿缺陷的影响，具有优异的电学和光学特性，引起了广泛的关注，在生物成像、药物传递、传感、光催化、光电池等方面具有广泛的应用。然而在目前合成石墨烯量子定的方法中，不论是自上而下的酸氧化、超声、微波、电化学等技术还是自下而上的多步溶剂化学等方法，大多不可避免的有苛刻的实验条件、复杂的反应流程、有毒有害反应中间产物等缺点。同时，如果没有经过表面修饰或异质杂原子（N、P、B、S）的掺杂，石墨烯量子点的发光效率相对较低。研究表明，石墨烯量子点的氮掺杂能够极大的提高其光学特性和拓展应用（ T.-F. Yeh, C.-Y. Teng, S.-J. Chen, H. Teng, Adv. Mater. 2014, 26, 3297–3303; M. K. Barman, B. Jana, S. Bhattacharyya, A. Patra, J. Phys. Chem. C 2014, 118, 20034-20041）。所以建立一种新型简单、温和的方法去合成氮掺杂的石墨烯量子点仍然具有极大的挑战。

作为现代无机化学研究的主题，配位化学一直走在化学科研的前端。通过中心元素（原子或离子）和配体分子的定向配位，可以实现将配位金属离子与有机小分子联接在一起。配位化学与有机、分析、药物、生物化学等化学领域紧密相连，在金属的提取与分离、化学分析、配位催化作用、医学等方面具有广泛的应用。目前为止，金属离子应用于碳纳米点的合成大多依赖于其离子强度的影响，在这个过程中金属离子消耗大使其合成成本增加，同时金属产物成为废物而没得到有效的利用。所以，制备N-GQDs量子点的同时，得到特殊形貌的新型金属氧化物纳米材料是一个有意义的研究方向。在已有研究—可形成芳香结构有机物的有机小分子可以自下而上一步合成石墨烯合物的基础上，受到配位化合物的优势启发，我们利用金属离子Sn⁴⁺与乙醇胺的配位作用设计了氮掺杂石墨烯的催化合成。

发明内容

本发明的目的在克服已有制备石墨烯量子点技术的缺点，有效利用配位化学的基本原理，提供一种金属离子配位催化一步实现制备氮掺杂石墨烯量子点（N-GQDs）的方法包含下步骤：

(1)配位聚合体前驱体溶液的制备。将一定量的乙醇胺（二乙醇胺、三乙醇胺）逐滴加入配位金属离子Sn⁴⁺（Al³⁺，Zn²⁺，Ag⁺）的乙醇（甲醇）溶液中，磁力搅拌至均匀混合；

(2) 成核和碳化过程。将前驱体溶液然后转入相应容量内衬为聚四氟乙烯的不锈钢高压反应釜中，密封后控制高压反应釜温度在100～180 ℃水热反应0.5～24 h；

(3)纯化过程。高速离心（8000 r/min）分离金属氧化物和产物后，将得到的上清液透析、旋蒸得到棕黄色的胶状产物N-GQDs。

本发明的合成方法特征是：

a 反应原料的广泛选择性。催化剂：可配位的金属离子（Sn⁴⁺、Al³⁺，Zn²⁺，Ag⁺等）；溶剂：醇类（甲醇、乙醇等）；氮碳源：醇胺（乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺等）；

b 乙醇胺功能多效性：碳源、氮源、表面修饰剂；

c 反应温和性：巧妙利用配位化学原理，实验N-GQDs的低温高效合成，在100℃下8 h就能得到产率较高的产物；而在180℃时，大于0.5 h即可得到性能理想的产物；

d 副产物的潜在价值：得到目标产物N-GQDs的同时，得到了新型的圆盘状的SnO₂半导体材料，可将其运用在锂电池、光电设备、光电传感的领域；