[发明专利]一种以煤为原料制备能带可控碳量子点的方法

说明书

本发明公开了一种以煤为原料，通过分步氧化法制备具有荧光效应的碳量子点的方法，属于碳纳米材料技术领域。具体为以煤为原料，高铁酸盐作为氧化剂对其进行预氧化；使用H₂O₂对碳量子点前驱体进行氧化制备碳量子点，通过控制反应条件可对碳量子点的能带进行调控。本发明提供的碳量子点的制备方法反应条件温和、操作简便、制备快捷、碳量子点荧光颜色可控、易于工业化生产。本发明制备的碳量子点具有水溶性好，荧光强度高且能带可控等特点。

技术领域

本发明属于碳纳米材料技术领域，涉及一种煤基碳量子点的制备方法，具体为一种高铁酸盐预氧化配合H₂O₂氧化的分步化学氧化法制备煤基碳量子点的方法。

背景技术

碳量子点，一种具有荧光效应的零维碳纳米材料。这种材料不但具有传统量子点的光学性质，比如光致发光、激发/发射波长可调，而且发光稳定性好且双光子吸收面积大，最重要的是碳量子点也保持了碳材料的低毒性与生物相容性的优点。因此，碳量子点可以广泛应用于发光材料及器件、环境监测、荧光传感、生物成像、细胞标记等多个领域。

目前制备碳量子点的方法有很多，根据碳源的不同，主要分为“自下而上”与“自上而下”两大类。

“自下而上”法，一般指的是将含碳低氧有机物比如柠檬酸、氨基酸、碳水化合物或聚合物转换为具有碳量子点结构特征的纳米片。“自上而下”法，都是以自身结构中含有石墨微晶或者大量的sp²共轭微区的固体以及粉末，例如石墨、石墨烯、氧化石墨烯、富勒烯、碳纳米管等为碳源，通过氧化、刻蚀等手段将其微晶结构剥离下并形成碳量子点。

虽然以石墨烯、富勒烯、高纯石墨或碳纳米管为碳源制备碳量子点的方法可以制备出荧光性能优异的碳量子点，但是碳源的成本成为难以大规模推广的最主要原因。而煤的含碳量高，来源广泛，价格低廉，是一种潜在的碳量子点前驱体。将氧化性酸作为氧化剂对煤进行化学氧化制备碳量子点的方法最常见。比如公开号为“CN 103922329 A”、名称为“一种煤中提取石墨烯量子点的方法”将不同煤先置于盐酸溶液在20-200℃的条件下回流10-30h，干燥后再将其置于硝酸中在20-200℃的条件下再回流10-30h，过滤、干燥后得到碳量子点粉末。公开号为“CN 105339301 A”、名称为“用于从煤和焦炭制备石墨烯量子点的方法”将煤直接与氧化性酸（浓硫酸与浓硝酸）在100-150℃的条件下反应12-48h，加碱中和为pH=7后过滤、纯化、浓缩后得到碳量子点粉末。公开号为“CN 106430173 A”、名称为“一种高分散的氧化石墨烯量子点的制备方法”的核心工艺也是将煤置于氧化性酸中于100-250℃的条件下反应12-24h，不过该方法提出使用活性炭碱性废液中和多余的酸液实现了废液利用，降低生产成本的目的。虽然酸氧化法可以制备出水溶性、荧光性能都很优异的碳量子点，但是实验条件苛刻、反应周期过长一直是此方法需要解决的问题。还有研究者使用改进的Hummers法制备碳量子点，公开号为“CN 103803540 A”、名称为“一种煤基石墨烯量子点的制备方法”利用改进Hummers制备碳量子点，因为高锰酸钾与浓硫酸会剧烈反应甚至爆炸，所以实验必须保证缓慢进行，其反应过程持续时间在24h以上。还有研究者提出使用H₂O₂作为氧化剂代替氧化性酸与煤反应制备碳量子点，以达到降低实验难度、绿色制备的目的。例如公开号为“CN 106479493 A”、名称为“一种以褐煤为碳源通过过氧化氢低温氧化制备碳量子点的方法”，将褐煤与H₂O₂直接混合氧化在60-110℃的条件下水热反应6-18h，成功制备出了碳量子点。

综上可知，以煤为碳源制备碳量子点是可行的，但已报道的煤基碳量子点制备方法存在实验条件苛刻、反应周期长、碳量子点荧光颜色单一等问题。

发明内容