[发明专利]一种水分散型氮掺杂石墨烯量子点的制备方法

说明书

本发明涉及一种水分散型氮掺杂石墨烯量子点的制备方法，将氮掺杂石墨烯水凝胶N‑rGO中加入浓硫酸和氧化剂，然后进行氧化反应，待反应结束后加入超纯水反应，然后终止反应后，分离提纯，冷冻干燥，即得。本发明制备方法简单，所制得的N‑GQDs具有良好的水分散性，能在水中长期均匀稳定存在，该材料适用于能源、传感、医学等各个领域。

技术领域

本发明属于石墨烯量子点材料的制备领域，特别涉及一种水分散型氮掺杂石墨烯量子点的制备方法。

背景技术

作为碳纳米材料的新秀，石墨烯量子点(graphene quantum dots，GQDs)是指尺寸小于20nm且厚度小于5层的石墨烯薄层。GQDs具有良好的水溶性、生物相容性、化学惰性、光稳定性和发光性能可调等特点，这使得GQDs将成为传统半导体量子点和有机染料在生命科学领域中潜在的替代物。同时，内部的石墨烯结构使GQDs具有比表面积大、可以通过π-π共轭键连其他物质等性能。这些性能使GQDs在材料、环境、生命科学等众多领域有着诱人的应用前景。但不足的是，目前所合成出的GQDs存在着荧光量子产率不高、活性位点相对较少、选择性较差等问题，这些缺陷严重限制了GQDs的广泛应用。

近年来，人们借鉴石墨烯的研究方法，发现GQDs内部的石墨烯结构经化学掺杂异原子后，整个共轭平面的电荷密度和带宽能隙会得到有效调节，从而改变电子的流动密度和跃迁方式，进而实现对其理化性能(荧光量子产率、光学性质、反应活性、催化性能等)的调整并拓展了GQDs的应用范围。在众多的掺杂元素中，氮掺杂的GQDs由于其宽光谱吸收范围，高载流子迁移率和优良的化学稳定性引起了科学家的广泛研究。目前，在GQDs中，氮元素的掺杂共拥有5个占位。分别是吡啶N(Pyridinic N)、吡咯N(Pyrrolic N)、石墨N(Graphitic N)也叫四元氮(Quaternary N)，腈类N(Nitrile N)和氧化N(Oxidized N)。其中吡啶N、吡咯N和石墨N被推测具有有效的催化活性位点，因此研究N-GQDs具有非常重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种水分散型氮掺杂石墨烯量子点的制备方法，本发明制备方法简单，易于工业化生产；制备的氮掺杂石墨烯量子点具有物理化学性能均匀稳定，长期置于水溶液存放不会产生变质的性能，该材料适用于能源、医学等各个领域。

本发明的一种水分散型氮掺杂石墨烯量子点的制备方法，包括：

(1)水热法制备氮掺杂石墨烯水凝胶(N-rGO)：

室温条件下，将氧化石墨GO、还原剂和氮源分散在水中，超声至完全分散，然后进行水热反应，冷冻干燥，得到氮掺杂石墨烯水凝胶N-rGO；其中水热反应的温度为150～200℃，反应时间为5-10h；氧化石墨GO和还原剂的质量比为1:0.5～1:1，氧化石墨GO和氮源的质量比为1:0.1～1:0.5；

(2)氧化N-rGO制备氮掺杂石墨烯量子点(N-GQDs)：将氮掺杂石墨烯水凝胶N-rGO加入到圆底烧瓶中，随后缓慢加入浓硫酸和氧化剂，然后将圆底烧瓶转移至油浴锅中进行氧化反应，待反应结束后向圆底烧瓶中加入超纯水反应，然后终止反应后，分离提纯，冷冻干燥，即得水分散型氮掺杂石墨烯量子点；其中N-rGO和浓硫酸的质量比为1:100～1:200，N-rGO和氧化剂的质量比为1:5～1:10。

所述步骤(1)中还原剂为赖氨酸、谷氨酸、抗坏血酸或丝氨酸；氮源为三聚氰胺、尿素、乙醇胺、乙二胺或六亚甲基四胺。

所述步骤(1)中冷冻干燥温度为-50～20℃，时间为12～48h。

所述步骤(2)中氧化剂为高锰酸钾或重铬酸钾。

步骤(2)中将氮掺杂石墨烯水凝胶N-rGO中加入浓硫酸和氧化剂在冰水浴条件下进行，先加入浓硫酸，后加入氧化剂，加入氧化剂的时间为20～30min