一种由碳纳米角制备石墨烯量子点的方法与流程

本发明公开一种由碳纳米角制备石墨烯量子点的方法，属于碳纳米材料制备领域。

背景技术：

近年来，石墨烯因独特的性能而受到越来越多的关注，如大的比表面积、高的载流子迁移率、优异的机械灵活性、良好的热/化学稳定性以及对环境友好的特征等。与二维的石墨烯纳米片(graphenenanosheets,gnss)和一维的石墨烯纳米带(graphenenanoribbons,gnrs)相比，零维的石墨烯量子点(graphenequantumdots,gqds)由于其尺寸在10nm以下表现出更强的量子限域效应和边界效应。目前，石墨烯量子点具有（1）不含高毒性金属元素，是环保型的量子点材料；（2）结构稳定，耐强酸、强碱及光腐蚀；（3）带隙宽度范围可调；（4）表面功能化实现容易（5）厚度可薄到一个单原子、化学稳定性等特性。因此在许多领域如太阳能光电器件、生物医药、发光二极管和传感器等有着更加诱人的应用前景。

尽管gqds近年来已成为各领域科学家关注的热点，制备仍处在起步阶段，但碳纳米晶体(包括碳纳米管、石墨烯、纳米碳、纳米碳点，统称碳点)的合成却可以追溯到更久以前。目前，制备出性质可控的gqds有两种方法，即自上而下和白下而上两种方法。自上而下的方法是指通过物理或化学方法将大尺寸的石墨烯薄片切割成小尺寸的gqds，包括水热法、电化学法和化学剥离碳纤维法等；自下而上的方法则是指以小分子作前体通过一系列化学反应制备gqds，主要是溶液化学法、超声波和微波法等。

然而制备高产率、高质量gqds仍有相当长的路要走。而上述的制备方法中均存在一定的缺陷，例如，自上而下的方法步骤相对简单，产率较高，但不能实现对gqds形貌和尺寸的精确控制。自下而上的方法多数可控性更强，但步骤繁琐操作麻烦。因此，提出一种工艺简单，更够大规模制备石墨烯量子点方法，对于推动石墨烯量子的进一步研究至关重要。本发明采用直流电弧法，在含氮气氛下，能够高效的制备氮掺杂的石墨烯，而这是碳纳米角在高温煅烧转化为石墨烯量子点的关键，从而能够解决高效、工艺简单制备石墨烯量子点的技术难题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种由碳纳米角制备石墨烯量子点的方法，可以高效、简单的制备石墨烯量子点，具体包括以下步骤：

（1）采用直流电弧法制备氮掺杂碳纳米角：用石墨棒作为电弧阴阳两极，且阴极和阳极竖直放置，电弧炉抽真空后，充入缓冲气体并启动电弧，反应结束后，收集反应腔内壁沉积物即为氮掺杂碳纳米角。

（2）将步骤（1）中制备的氮掺杂碳纳米角放入管式炉中，在设定的气氛与温度下煅烧，收集产物即为石墨烯量子点。

优选的，本发明步骤（1）中制备氮掺杂碳纳米角的条件为：电极石墨棒的直径为10～30mm，两极之间间距为1～3mm，电弧放电电流为100～250a，电弧放电时间为5～30min，缓冲气体的压力为40～80kpa。

优选的，本发明步骤（1）中缓冲气体为氮气。

优选的，本发明步骤（2）中煅烧气氛为空气、氧气中的一种或是两种气体的混合。

优选的，本发明步骤（2）中煅烧温度为600～800℃，煅烧时间为30～240min。

本发明的有益效果：

（1）本发明采用直流电弧法来制备碳纳米角，将制备的碳纳米角经煅烧来制备石墨烯量子点，设备简单、工艺简单、生产成本低、生产效率高、绿色无污染。

（2）本发明制备的氮掺杂碳纳米角，通过透射电子显微镜得出碳纳米角单体直径为2～5nm，聚集成直径为50～100nm的球形聚集体，通过tem判定煅烧后的产物为石墨烯量子点，尺寸为5～15nm。

（3）本发明制备石墨烯量子点，相较于其它制备石墨烯量子点的方法，该方法能一步完成，条件可控，步骤简单等，制备的石墨烯量子点纯度高，结构尺寸均一，粒径分布均匀，具有优良的荧光特性。

附图说明

图1为实施例1中氮掺杂碳纳米角的透射电子显微镜图；

图2为实施例1中氮掺杂碳纳米角的x射线光电子能谱图；

图3为实施例1中石墨烯量子点的透射电子显微镜；

图4为实施例2中石墨烯量子点的透射电子显微镜；

图5为实施例3中石墨烯量子点的透射电子显微镜；

图6为实施例4中石墨烯量子点的透射电子显微镜；

图7为实施例5中石墨烯量子点的透射电子显微镜。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。

实施例1

一种由碳纳米角制备石墨烯量子点的方法，具体包括以下步骤：

（1）采用石墨棒作为电弧阴阳两极，石墨棒的直径为10mm，两极之间的间距为1mm，阴阳两极竖直放置，电弧炉被抽至真空度为3pa后，直流电弧放电电流为200a，充入70kpa的氮气并启动电弧，放电5min后，收集反应腔内壁沉积物即为氮掺杂碳纳米角。

（2）将已制备的氮掺杂碳纳米角放入管式炉中，在空气气氛、温度为600℃下煅烧240min，待冷却至室温时收集得到的产物即为石墨烯量子点。

本实施例制备得到的碳纳米角的透射电子显微镜图如图1所示，由图可以看出制备出‘dahlia’状的碳纳米角；x射线光电子能谱图如图2所示，由图可以看出制备的碳纳米角掺杂的氮元素；单个颗粒直径为2～5nm并聚集成直径为30～100nm的球状聚集体。

石墨烯量子点的透射电子显微镜图如图3所示，由图可以看出得到的石墨烯量子点尺寸在5~15nm，无杂质且具有很好的单分散结构；同时，该方法制备的石墨烯量子点具有很强的荧光效应。

实施例2

一种由碳纳米角制备石墨烯量子点的方法，具体包括以下步骤：

（1）采用石墨棒作为电弧阴阳两极，石墨棒的直径为10mm，两极之间的间距为1mm，阴阳两极竖直放置，电弧炉被抽至真空度为3pa后，直流电弧放电电流为200a，充入70kpa的氮气并启动电弧，放电5min后，收集反应腔内壁沉积物即为氮掺杂碳纳米角。

（2）将已制备的氮掺杂碳纳米角放入管式炉中，在空气气氛、温度为800℃下煅烧30min，待冷却至室温时收集得到的产物即为石墨烯量子点。

本实施例制备得到的石墨烯量子点的透射电子显微镜图如图4所示，由图可以看出得到的石墨烯量子点尺寸在5~15nm，无杂质且具有很好的单分散结构，同时，该方法制备的石墨烯量子点具有很强的荧光效应。

实施例3

一种由碳纳米角制备石墨烯量子点的方法，具体包括以下步骤：

（1）采用石墨棒作为电弧阴阳两极，石墨棒的直径为10mm，两极之间的间距为1mm，阴阳两极竖直放置，电弧炉被抽至真空度为3pa后，直流电弧放电电流为200a，充入70kpa的氮气并启动电弧，放电5min后，收集反应腔内壁沉积物即为氮掺杂碳纳米角。

（2）将已制备的氮掺杂碳纳米角放入管式炉中，在空气气氛、温度为700℃下煅烧90min，待冷却至室温时收集得到的产物即为石墨烯量子点。

本实施例制备得到的石墨烯量子点的透射电子显微镜图如图5所示，由图可以看出得到的石墨烯量子点尺寸在5~15nm，无杂质且具有很好的单分散结构，同时，该方法制备的石墨烯量子点具有很强的荧光效应。

实施例4

一种由碳纳米角制备石墨烯量子点的方法，具体包括以下步骤：

（1）采用石墨棒作为电弧阴阳两极，石墨棒的直径为10mm，两极之间的间距为1mm，阴阳两极竖直放置，电弧炉被抽至真空度为3pa后，直流电弧放电电流为200a，充入70kpa的氮气并启动电弧，放电5min后，收集反应腔内壁沉积物即为氮掺杂碳纳米角。

（2）将已制备的氮掺杂碳纳米角放入管式炉中，在氧气气氛、温度为650℃下煅烧120min，待冷却至室温时收集得到的产物即为石墨烯量子点。

本实施例制备得到的石墨烯量子点的透射电子显微镜图如图6所示，由图可以看出得到的石墨烯量子点尺寸在5~15nm，无杂质且具有很好的单分散结构。

实施例5

一种由碳纳米角制备石墨烯量子点的方法，具体包括以下步骤：

（1）采用石墨棒作为电弧阴阳两极，石墨棒的直径为10mm，两极之间的间距为1mm，阴阳两极竖直放置，电弧炉被抽至真空度为3pa后，直流电弧放电电流为200a，充入70kpa的氮气并启动电弧，放电5min后，收集反应腔内壁沉积物即为氮掺杂碳纳米角。

（2）将已制备的氮掺杂碳纳米角放入管式炉中，在氧气与空气混合气氛、温度为700℃下煅烧120min，待冷却至室温时收集得到的产物即为石墨烯量子点。

本实施例制备得到的石墨烯量子点的透射电子显微镜图如图7所示，由图可以看出得到的石墨烯量子点尺寸在5~15nm，无杂质且具有很好的单分散结构。

实施例6

一种由碳纳米角制备石墨烯量子点的方法，具体包括以下步骤：

（1）采用石墨棒作为电弧阴阳两极，石墨棒的直径为10mm，两极之间的间距为1mm，阴阳两极竖直放置，电弧炉被抽至真空度为3pa后，直流电弧放电电流为200a，充入70kpa的氮气并启动电弧，放电5min后，收集反应腔内壁沉积物即为氮掺杂碳纳米角。

（2）将已制备的氮掺杂碳纳米角放入管式炉中，在氧气与空气混合气氛、温度为750℃下煅烧60min，待冷却至室温时收集得到的产物即为石墨烯量子点。

本实施例制备得到的石墨烯量子点尺寸在5~15nm，无杂质且具有很好的单分散结构。

实施例7

一种由碳纳米角制备石墨烯量子点的方法，具体包括以下步骤：

（1）采用石墨棒作为电弧阴阳两极，石墨棒的直径为10mm，两极之间的间距为1mm，阴阳两极竖直放置，电弧炉被抽至真空度为3pa后，直流电弧放电电流为200a，充入70kpa的氮气并启动电弧，放电5min后，收集反应腔内壁沉积物即为氮掺杂碳纳米角。

（2）将已制备的氮掺杂碳纳米角放入管式炉中，在氧气与空气混合气氛、温度为650℃下煅烧200min，待冷却至室温时收集得到的产物即为石墨烯量子点。

本实施例制备得到的石墨烯量子点尺寸在5~15nm，无杂质且具有很好的单分散结构。

实施例8

一种由碳纳米角制备石墨烯量子点的方法，具体包括以下步骤：

（1）采用石墨棒作为电弧阴阳两极，石墨棒的直径为10mm，两极之间的间距为1mm，阴阳两极竖直放置，电弧炉被抽至真空度为3pa后，直流电弧放电电流为200a，充入70kpa的氮气并启动电弧，放电5min后，收集反应腔内壁沉积物即为氮掺杂碳纳米角。

（2）将已制备的氮掺杂碳纳米角放入管式炉中，在氧气与空气混合气氛、温度为800℃下煅烧100min，待冷却至室温时收集得到的产物即为石墨烯量子点。

本实施例制备得到的石墨烯量子点尺寸在5~15nm，无杂质且具有很好的单分散结构。

实施例9

一种由碳纳米角制备石墨烯量子点的方法，具体包括以下步骤：

（1）采用石墨棒作为电弧阴阳两极，石墨棒的直径为10mm，两极之间的间距为1mm，阴阳两极竖直放置，电弧炉被抽至真空度为3pa后，直流电弧放电电流为200a，充入70kpa的氮气并启动电弧，放电5min后，收集反应腔内壁沉积物即为氮掺杂碳纳米角。

（2）将已制备的氮掺杂碳纳米角放入管式炉中，在氧气与空气混合气氛、温度为800℃下煅烧30min，待冷却至室温时收集得到的产物即为石墨烯量子点。

本实施例制备得到的石墨烯量子点尺寸在5~15nm，无杂质且具有很好的单分散结构。

实施例10

一种由碳纳米角制备石墨烯量子点的方法，具体包括以下步骤：

（1）采用石墨棒作为电弧阴阳两极，石墨棒的直径为10mm，两极之间的间距为1mm，阴阳两极竖直放置，电弧炉被抽至真空度为3pa后，直流电弧放电电流为200a，充入70kpa的氮气并启动电弧，放电5min后，收集反应腔内壁沉积物即为氮掺杂碳纳米角。

（2）将已制备的氮掺杂碳纳米角放入管式炉中，在空气气氛、温度为700℃下煅烧60min，待冷却至室温时收集得到的产物即为石墨烯量子点；本实施例制备得到的石墨烯量子点尺寸在5~15nm，无杂质且具有很好的单分散结构。