[发明专利]一种碳化玉米芯电化学氧化制备碳点的方法

说明书

一种碳化玉米芯电化学氧化制备碳点的方法，其属于纳米碳材料制备的技术领域。该方法将碳化玉米芯作为阳极，以碱性电解质水溶液为电解液，在恒电流下电化学氧化刻蚀得到碳点在电解液中的分散液，通过过滤、透析、冷冻干燥后可得到碳点。本发明公开的方法简单、安全、可控，可以实现碳点的大量和绿色制备。

技术领域

本发明涉及一种以玉米芯为原料，经碳化和电化学氧化制备碳点的方法，属于纳米碳材料制备领域。

背景技术

一般情况下，碳点是指三个维度上尺寸均小于10 nm的碳纳米材料，由碳质核心和含有丰富官能团的表面钝化层构成，因为具有高比表面积、良好的分散性、丰富的表面官能团和缺陷、低生物毒性和光致发光等特性，在生物成像、药物传递、电发光器件、离子检测、催化、储能等领域展现出良好的应用价值。但是，大部分碳点制备方法受到成本、安全性、环境保护等多种因素制约，难以大规模生产，因此限制了碳点的广泛研究和实际应用。

碳点的制备方法可以分为“自下而上”和“自上而下”两大类。“自下而上”的方法是将有机小分子通过溶剂热、高温热解、超声等手段聚合成碳点，对设备要求高且环境污染较大。“自上而下”的方法是将大的碳前驱体通过激光刻蚀、超声、化学氧化、电化学氧化等手段剪裁为小尺寸的碳点，其中：激光刻蚀、超声等方法对设备要求比较高且效率较低；化学氧化法较为常用，但大量强酸和强氧化剂的使用会造成环境污染和存在安全隐患；电化学氧化法是一种绿色的碳点生产方法，与传统的化学氧化法相比，减少或消除了强酸、强氧化剂的使用，具有过程安全、对环境污染小、反应速度快等优点，但是采用合适的电极材料是关键。以往的研究使用的碳前驱体均为人工合成或不可再生的材料，且需要额外加工成型，提高了制备过程的成本和资源代价。例如中国专利CN106947475A、CN104028291B、CN102492421B分别使用石墨、煤、碳纤维作为电极材料。专利(CN 105038781 A)采用玉米芯为原料制备荧光碳点，但采用的是水热法、微波法和超声法加热反应或直接煅烧法；因此，开发一种兼顾原料的低成本、环境保护、安全性、高效率反应的碳点制备方法仍然是一大挑战。

发明内容

本发明的目的在于提供一种绿色高效的碳点制备新方法，具有简单、低成本、操作条件安全、可控的优点，可作为一种适用于大批量生产碳点的方法。

本发明采用的技术方案是：

本发明提供了一种从玉米芯出发，绿色、高效制备碳点的方法，以玉米芯为原料，经碳化处理，以碱性电解质水溶液为电解液，电化学阳极氧化碳化玉米芯制备碳点在电解质溶液中的分散液，然后，真空抽滤去除未充分电化学氧化的杂质，透析去除电解质，脱水、干燥得到碳点粉末。

其中包括：

将玉米芯在惰性气氛保护下碳化，碳化温度为700~1000℃，保护气氛为氮气、氩气等惰性气体，升温速率为5-50℃/min，升到指定温度后保温时间为1-4 h；

将碳化玉米芯用作阳极，对电极可以选择Pt、石墨等惰性电极，以LiOH、NaOH、KOH等碱性电解质的水溶液作为电解液，电解质浓度为0.1~5 mol/L，电流密度为0.1~2.5 A/g，电化学反应得到碳点在电解液中的分散液；

将碳点分散液真空过滤以去除未充分电化学氧化刻蚀的大块杂质，所用滤膜孔径为0.22 μm，过滤后的碳点分散液透析去除电解质，直到使用pH试纸测试透析析出液为中性，透析袋透过分子量≤200；

将除去电解质的碳点分散液，脱水、烘干得到碳点的粉末，烘干温度80-150^oC

本发明的有益效果在于：

1.原材料玉米芯是一种可再生生物质资源，成本低廉。

2.碳化玉米芯相较于煤、石墨等碳源制备的电极，无需成型等加工处理，碳化即可用，特别是碳化玉米芯电极材料具有发达的天然多孔结构，可以通过毛细作用使电解液充满整个电极材料，从而扩大电化学氧化的反应面积，大大加快了反应制备速率。