[发明专利]基于次氯酸根氧化进行石墨烯量子点制备的方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料制备技术领域，具体涉及一种基于次氯酸根氧化进 行石墨烯量子点制备的方法。

背景技术

自2004年石墨烯的发现以来，石墨烯因其优异的电学、热学、光学和力 学等性质引起了基础科学和应用领域的研究热潮。例如，石墨烯具有极高的 载流子迁移率(200,000cm2V-1s-1)和热导率(～5,000Wm-1K-1)，以及 室温量子霍尔效应(QuantumHallEffect)，有望取代硅成为高性能电子器件的 理想原材料。然而，石墨烯是一种零带隙的半金属材料，该性质限制了其在 半导体器件和光电子器件等领域的应用，如场效应晶体管(FETs)。打开石墨 烯带隙，将其从半金属材料转变成半导体材料，是石墨烯研究领域的一个前 沿性研究课题。目前，打开石墨烯带隙主要包括两个方向，一是基于量子效 应，将石墨烯切割成纳米带，纳米筛或量子点，在一维或二维方向上实现纳 米级尺度。二是对石墨烯进行掺杂和表面功能化以破坏其π电子共轭体系。 石墨烯量子点(GQDs)是二维尺寸小于100nm的石墨烯纳米片，由于量子 效应，其具有特异的光电子学性质，在生物医药、太阳能电池、光电子器件 等领域具有广泛的应用前景。

文献已报道的有关石墨烯量子点的制备方法主要分为自下而上和自上而 下两种方法。自下而上方法主要是指以有机小分子为前驱体，通过化学缩聚 反应形成碳碳键，将有机小分子聚合成具有大的共轭结构的石墨烯量子点。 该方法制备过程复杂繁琐、反应耗时长且产率比较低。此外，在合成过程中 GQDs极易发生团聚，很难获得较大尺寸的GQDs。自上而下是以石墨烯或碳 纤维为原料，通过化学氧化将其氧化切割成量子点。然而，利用该方法制备 得到的石墨烯量子点产率低，且碳共轭骨架遭受破坏程度较为严重。Ajayan 等人在《NanoLetters》(2012，12，844-849)杂志上发表了题为“Graphene quantumdotsderivedfromcarbonfibers(以碳纤维为原料制备石墨烯量子点)” 的文章，该文的作者利用碳纤维具有层结构，且其直径在纳米级范围内的优 势，在混酸条件下(浓硫酸：浓硝酸＝3:1，V/V)，高温搅拌，通过氧化插层 的方法破坏碳纤维的层状结构，制备得到石墨烯量子点。然而，通过该方法 得到的石墨烯量子点具有一层到多层的厚度，并非真正意义上的具有单原子 层厚度的石墨烯量子点。XuejiaoZhou等人在《ACSNano》(2012,6,6592) 杂志上发表了题为“Photo-FentonReactionofGrapheneOxide:ANewStrategy toPrepareGrapheneQuantumDotsforDNAcleavage(氧化石墨烯的光辅助-费 顿反应：石墨烯量子点的一种新型制备方法及其对DNA的切割作用研究)” 的文章，紫外光照射下，作者利用氧化石墨烯的光辅助-费顿反应，通过控制 反应时间，成功制备得到石墨烯量子点，利用该方法制备石墨烯量子点的体 系无需使用强酸和高温条件、副产物较少，是一种反应是一种快速有效的石 墨烯量子点制备方法。然而，体系的pH值需较严格地控制在3～4范围内，在 较强酸性条件下(pH<3)，氧化石墨烯容易团聚，当体系pH>4时，反应速率 降低，主要是因为当溶液呈碱性时，不利于羟基自由基(·OH)的生成。此 外，目前存在的制备石墨烯量子点的方法均存在产率低，耗时等不足，因此， 亟待寻求一种简单快速、且在较宽的pH范围内制备石墨烯量子点的新方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于次氯酸根氧化进行石墨烯量子点制备的方 法，解决了现有石墨烯量子点制备过程耗时，石墨烯量子点的产率低的问题。

本发明所采用的技术方案是，基于次氯酸根氧化进行石墨烯量子点制备 的方法，具体步骤为：

步骤1：将固体氧化石墨分散在去离子水中，在超声作用下进行分散，使 氧化石墨分散剥离成单层，得氧化石墨烯水溶液；

步骤2：将步骤1所得氧化石墨烯水溶液和含有次氯酸根的水溶液在室温 下进行混合，得混合溶液；随后利用紫外光对混合溶液进行辐照5min～5h，即 得石墨烯量子点。

本发明的特征还在于，

步骤1中，超声作用过程为：在频率为40kHz，功率为160W的超声波 下分散1h。

步骤1所得氧化石墨烯水溶液的浓度为0.01～4mg/mL。