一种量子碳素的制作方法

本发明涉及一种碳素，尤其是涉及一种量子碳素。

背景技术：

众所周知，碳元素是自然界中存在的与人类最密切相关、最重要的元素之一。它具有SP、SP2、SP3杂化的多样电子轨道特性，尤其是碳碳双键sp2杂化的异向性导致晶体的各向导性，使得以碳元素为唯一构成元素的碳素结构材料具有各式各样的性质，而且，新碳素材料还在不断被发现和人工制得。可以说，没有任何元素能像碳这样作为单一元素可形成像三维金刚石晶体、二维石墨层片、一维卡宾和碳纳米管、零维富勒烯分子等如此之多的结构与性质完全不同的物质。譬如碳素结构体中的石墨烯片材料就有太多优越性，而且在太阳能电池、传感器方面、纳米电子学、高性能纳电子器件、复合材料、场发射材料、气体传感器及能量存储等领域具有广泛的应用。近年来，科学家和致力于探索制备单层石墨烯的途径，尤其是要制备高质量、产率高、成本低、结构稳定的石墨烯的方法。目前公知比较成熟的制备石墨烯的方法主要有以下几种：①剥离法，包括微机械剥离法和溶剂剥离法等；②生长法，包括晶体外延生长、取向附生法、化学气相沉积等；③氧化还原石墨法，包括常用的Hummers法、Standenmaier法、Brodie法等；④其它方法，主要有电弧放电法、石墨层间化学物途径法、目前非常新颖的高温淬火法与碳纳米管剥开法等。其中氧化还原石墨法具有简单且多元化的工艺，是常用的制备石墨烯的方法，但只适合于实验室少量制备用于研究，大量制备容易产生大量废酸、废水等引起环境污染。

同样，碳素结构体这些具有优秀性质的材料，到目前为止，其各种制备方法在成本和环保等方面还没有根本性的突破。

规模化制备高质量、低成本、环保型的碳素晶体材料是所有应用的基础,发展低成本可控的制备方法是当下最急需解决的问题。

量子碳素包括了粒径为0.3-100nm的碳素粒子的单层石墨烯、多层石墨烯、纳米碳结构体，在所述碳素粒子的表层具有含有碳、氢、氧、氮的化合物，所述含有碳、氢、氧、氮的化合物包括稠环芳烃、含有碳氧单键的化合物、含有碳氧双键的化合物、含有碳氢键的化合物。

量子碳素是碳元素的一种热力学不稳定但动力学较稳定的亚稳定物质。构成量子碳素的基材是单分散碳原子或碳原子簇。以石墨烯为例，当石墨烯片层产生一定的弯曲结构时，则使处于平衡状态的碳原子具有一定的应力能并处于较高能量状态。不同碳同素异性体中碳元素所具有的能量各不相同，石墨中碳原子的能量为零为最稳定状态，富勒烯球C60中碳原子的能量最高达0.45eV，C240约为0.15eV，纳米碳管和金刚石中碳原子能量在0.02～0.03eV，要克服石墨烯弯曲结构的应力能,不同的碳同素异体的生成热有差别。最稳定的石墨其生成热Hf(g·c)为零；金刚石为1.67KJ/mol；C60为42.51KJ/mol；C70为40.38KJ/mol碳，要使石墨变成弯曲结构形成不同碳同素异体，必须从外部施加更高能量使之在受激状态下形成能量更高的单分散碳原子或碳原子簇.这些可控式激态能量的供给，可以通过本发明的特殊加工方法实现，并可以选择性的制备出不同碳结构体。

技术实现要素：

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种量子碳素，其特征在于，为一种量子碳素液的结晶体，该结晶体是纳米碳结构体，包括单层石墨烯或多层石墨烯，结晶体表层为选自含有碳、氢、氧元素的化合物，所述选自含有碳、氢、氧元素的化合物包括含有碳氧单键的化合物、含有碳氧双键的化合物、含有碳氢化合物的混合物，混合物中各元素比例为：C为45％-60％，H为0.2％-5.0％，O为35％-54％；

所述结晶体表层是指晶体粒子表层的化合物元素，即指量子碳素液中的整个混合物的元素含量。(采用美国EAI公司CE-440型快速元素分析仪经过三次测量平均结果为：C:50.19％H:0.64％O:49.17％分析精度：0.15％；分析准确度：0.15％。表明碳纳米粒子整体上含氧基团的数目很高)。

所述量子碳素液是含有量子碳素的水溶液，所述量子碳素的水溶液包括碳素粒子：0.6≤粒径≤50nm单层石墨烯，0.6≤粒径≤100多层石墨烯，0.6＜粒径＜200nm的量子碳素。

优选的，所述量子碳素液的ORP为280mv-500mv、电导率σ为1-10ms/cm、电动势为280mv-380mv、pH值为1.2-3.2、浓度为0.1％-0.45％。

因此，本发明具有如下优点：本发明涉及的碳素颗粒度均匀，纯度高、产品质量稳定。

附图说明

图1为子碳素固含量与电导率关系曲线。

图2为量子碳素固含量与电动势关系曲线。

图3为量子碳素固含量与pH关系曲线。

图4为量子碳素制备初期各参数曲线。

图5为量子碳素制备达标各参数曲线。

图6为量子碳素氧化原理图。

图7为本发明氧化石墨烯形态图。

图8为量子碳素一种电镜观测图

图9为量子碳素另一种电镜观测图。

图10为量子碳素STM平面观测图。

图11为量子碳素STM三维观测图。

图12为量子碳素STM粒径检测图。

图13为量子碳素红外图谱。

图14为量子碳素红外标准图谱。

图15为量子碳素制备苯六甲酸质谱图。

图16为量子碳素制备苯六甲酸C13图谱。

图17为量子碳素制备苯六甲酸XRD衍射仪分析。

图18为量子碳素气相色谱与质谱联用检测(检测结果为：正辛烷C8H18)。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1：

本发明涉及的量子碳素包括了粒径为0.3-100nm的碳素粒子的单层石墨烯、多层石墨烯，在所述碳素粒子的表层具有含有碳、氢、氧的化合物，所述选自含有碳、氢、氧元素的化合物包括含有碳氧单键的化合物、含有碳氧双键的化合物、含有碳氢化合物的混合物。

该量子碳素包括量子碳素液，所述量子碳素液为含有量子碳素的水溶液，所述量子碳素液的ORP为280mv-500mv、电导率σ为1-10ms/cm、电动势为280mv-380mv、pH值为1.2-3.2、浓度为0.1％-0.45％。

量子碳素由如下质量百分比的碳素粒子构成：包括碳素粒子：0.6≤粒径≤50nm单层石墨烯，0.6≤粒径≤100多层石墨烯，0.6＜粒径＜200nm的量子碳素。所述选自含有碳、氢、氧元素的化合物包括含有碳氧单键的化合物、含有碳氧双键的化合物、含有碳氢化合物的混合物。，其中各元素比例为：C为45％-60％，H为0.2％-5.0％，O为35％-54％；

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。