[发明专利]一种基于化学切割制备碳纳米点的方法

说明书

技术领域

本发明属于碳纳米点的制备领域，特别涉及一种基于化学切割制备碳纳米点的方法。

背景技术

半导体量子点通常是由毒性重金属合成的，潜在的安全和毒性隐患是其应用于临床医学面临的最大障碍。作为一种新型的纳米材料，碳纳米点尺寸在20nm以内，一般为球形或类似球形，展现出明显的量子限域效应和稳定的荧光效应，特别是其突出的生物相容性，大大提高了碳纳米点在生物标记特别是体内成像上的应用，被认为是最有潜力替代金属量子点的荧光材料之一。

目前，碳纳米点的制备方法主要分为自上而下和自下而上两大类，其中很多合成方法可以看做是对碳纳米晶体合成方法的延伸和补充。自上而下的方法是通过物理或化学的方法将大尺寸的石墨烯薄片割离成小尺寸碳纳米点，包括电化学氧化法、水热法等。自上而下的方法步骤相对简单，但难以实现对碳纳米点形貌和尺寸的精确控制，其荧光性能比较难以严格调控。近期Bao等人用一束碳纤维作为工作电极，Pt片和银线分别作为反电极和准参比电极制备了1～3nm大小的碳纳米点，尺寸虽然比较理想，但用这种方法制备的碳纳米点其荧光性能表现出尺寸相关性，最大发射波长分别在445nm和510nm，难以有效地实现不同尺寸碳纳米点的分离和利用。自下而上的方法是指小分子作为前体通过一系列的化学反应制备CQDs，主要包括微波法、溶液化学法等。自下而上的方法大多涉及化学合成，其中不乏需要特殊的仪器和设备，步骤繁琐限制了其实际应用可行性。Liu等则以六苯基苯(HBC)为碳源,通过多环芳烃的热解得到柱状HBC粉末，再高温裂解得到高温石墨，改进Hummer法制备氧化石墨，加热回流水合肼还原最终获得碳纳米点，制备了形貌规整的碳纳米点。这种方法尽管可以实现形貌可控，但步骤繁琐且需要高温设备，成本较高。因此为了最大程度发挥碳纳米点的荧光性能及其在生物成像上的应用前景，简化制备方法获得性能稳定，多种颜色荧光的碳纳米点是非常必要的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于化学切割制备碳纳米点的方法，本发明采用的化学切割法制备碳纳米点工艺简单，通过控制反应参数可以得到小尺寸碳纳米点，且不需要特殊设备和仪器，碳纳米点荧光性能稳定和良好的水溶性，展现了多色彩的荧光效应。

本发明的一种基于化学切割制备碳纳米点的方法，包括：

(1)将废弃碳纤维材料切成3-5mm的短纤，清洗，然后分散在浓酸(浓硝酸和浓硫酸)混合液中，超声处理，得到混合液；

(2)将上述混合液在80-150℃温度下回流12-24h(相当于化学剪刀作用，将大的碳网平面切割成小尺寸碳纳米点)，冷却至室温，然后稀释后碱中和，过滤，透析，即得碳纳米点。

所述步骤(1)中废弃碳纤维材料中含碳量在80％以上，且保留了基本的二维乱层碳网平面结构。

所述步骤(1)中废弃碳纤维材料为力学强度小于0.8GPa的粘胶基纤维或小于2.0GPa的聚丙烯腈基碳纤维。

所述步骤(1)中浓硝酸和浓硫酸混合液中浓硝酸和浓硫酸的体积比为1:1-1:3。

所述步骤(1)中废弃碳纤维材料用量和浓硫酸用量的比例小于或等于0.3g：60ml，以保证化学切割作用的充分进行。

所述步骤(1)中超声处理时间为1-3h；超声频率20KHz-40KHz。

所述步骤(2)中稀释为去离子水稀释，稀释倍数为10-20倍。

所述步骤(2)中碱为氢氧化钠、碳酸钠、氢氧化钾中的一种。

所述步骤(2)中过滤为用0.22μm的微孔过滤头过滤，除去未反应的大块石墨片层杂质；透析为截留分子量为1000-2000Da的透析袋透析，透析时间为2-5天。

透析袋收集小尺寸的碳纳米点产物，同时去除盐分杂质。

所述步骤(2)中碳纳米点尺寸在8～12nm，具有良好的水溶性和多色彩的荧光效应，如蓝色、绿色、黄色等。

本发明以废弃碳源材料如不合格粘胶基碳纤维制品等分散在浓硫酸和浓硝酸混合液中，浓酸氧化作用相当于化学剪刀，将原料中片层结构碳切割成小尺寸碳纳米点。将纤维状原料分散在混酸中，室温下超声后在一定温度下回流，冷却至室温，加入碱性反应物调节pH至中性，透析袋截留得到具有不同颜色荧光的碳纳米点。

所用的废弃碳源材料是指不合格的纤维状制品，保留了基本的二维乱层碳网平面结构，且含碳量在80％以上，包括但不限于力学强度小于0.8GPa的粘胶基纤维或小于2.0GPa的聚丙烯腈基碳纤维。