一种碳量子点-氧化石墨烯叠层超结构纳米材料的制备方法

本发明属于纳米材料和电化学领域，具体涉及一种碳量子点-氧化石墨烯叠层超结构纳米材料的制备方法。

背景技术：

1、由于人类科技的不断进步和世界人口的持续增长，全球能源消耗量不断增加，以石油、煤炭等为代表的传统化石能源日益枯竭。可再生能源中锂离子电池因为其能量密度高，循环寿命长的特点，已经被广泛运用在便携式电子设备和电动汽车中。但锂矿资源有限，价格不断升高，锂离子电池成本不断攀升。由于钠的储量丰富，与锂有着类似物理和化学性质，钠离子电池将为大规模的可再生能源存储应用提供一个充满希望的新前景。

2、天然石墨作为锂离子电池的商用负极材料具有长周期稳定性和372mah g-1的理论容量，但由于其层间距有限(0.34nm)，不能用作锂离子电池的电极材料。此外，钠离子插入石墨烯在热力学上也是不利的，因此锂离子电池中成熟的负极材料石墨不能作为钠离子电池的负极材料。石墨烯具有大比表面积、短离子扩散通道和高导电性，是一种极具潜力的储能材料。但由于其自堆积，层间距有限的问题依然存在，仍不能适合作为钠离子电池的负极。通过将碳量子点插入石墨烯的层间可以防止自堆叠并扩大其层间间距。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种方法简单，易于控制，可大量生产的有序碳量子点-氧化石墨烯纳米片叠层超结构材料的制备方法。

2、本发明提出的一种有序碳量子点-氧化石墨烯叠层超结构材料的制备方法，首先经配体交换制备出改性氧化石墨烯，然后和改性碳量子点超声均匀混合，通过溶剂挥发自组装制得碳量子点-氧化石墨烯叠层超结构材料。同时，本发明还提供所述制备方法得到碳量子点-氧化石墨烯叠层超结构纳米材料及其应用。

3、具体步骤如下

4、(1)改性的氧化石墨烯分散液的制备

5、将氧化石墨烯加入到非极性溶剂ⅰ中，得到二维石墨烯的混合物，然后向该二维石墨烯的混合物中加入有机胺，经过1～200min超声处理，得到分散液ⅰ；再向分散液ⅰ中加入有机酸，再次超声处理1～200min，得到分散液ⅱ；向分散液ⅱ中加入极性溶剂后，离心弃去上清液，下层沉淀物即为改性氧化石墨烯；将该沉淀物分散于非极性溶剂ⅰⅰ中，即得到改性的氧化石墨烯分散液；

6、(2)改性的碳量子点分散液的制备

7、将氢氧化钠缓慢加入到乙醛中，反应完成后得到的产物加稀盐酸变为絮状物，经超声处理；然后用去离子水将产物洗涤至中性；在鼓风干燥箱中，将洗涤至中性的产物烘干，得到黄色粉末即为碳量子点；将碳量子点加入到非极性溶剂中，得到碳量子点的混合物，然后向该碳量子点的混合物中加入有机胺，经过1～200min超声处理，得到改性的碳量子点分散液；

8、(3)碳量子点-氧化石墨烯叠层超结构材料的制备

9、将步骤(1)制得的改性的氧化石墨烯分散液和步骤(2)制得的改性的碳量子点分散液混合，超声处理后，通过挥发自组装，得到有序堆叠的碳量子点-氧化石墨烯叠层超结构；将该碳量子点-氧化石墨烯叠层超结构以0.5-50℃/min的升温速率在惰性气氛下(n2/ar)热处理，热处理温度为350～800℃，获得碳包覆的碳量子点-氧化石墨烯叠层超结构材料。

10、本发明中，步骤(1)中，所述氧化石墨烯与非极性溶剂ⅰ的质量比为1:1～1:100；所述有机胺与非极性溶剂ⅰ的体积比为1:1～1:100；所述有机胺与有机酸的体积比为1:0.1～1:10；所述非极性溶剂ⅰ与极性溶剂的体积比1:0.5～1:10。

11、本发明中，步骤(2)中，所述碳量子点与非极性溶剂的质量比为1:1～1:100；所述有机胺与非极性溶剂的体积比为1:1～1:100。

12、本发明中，步骤(1)和步骤(2)中所述的非极性溶剂为正己烷、甲苯、氯仿、环己烷、四氯化碳、二氯甲烷、辛烷、溴乙烷、二硫化碳、四氯乙烯或四氢呋喃中的一种或几种。

13、本发明中，步骤(1)中所述的极性溶剂为甲苯、丙酮、乙醇、甲醇或异丙醇中的一种或几种。

14、本发明中，步骤(2)中氢氧化钠和乙醛的反应时间为0.5～2小时。

15、本发明采用上述技术方案实施后，主要产生以下效果：

16、本发明方法采用配体表面修饰、分子诱导的协同组装等工序，工艺简单，操作方便，利于规模化生产，便于推广应用；

17、本发明方法制备出的碳量子点-氧化石墨烯叠层超结构材料，由于热处理过程可以使有机配体分子原位碳化，从而碳量子点和氧化石墨烯以碳-碳共价键的方式进行结合。这不仅可以增强局部的机械稳定性，也可以保证整体的柔韧性。相对于简单的机械混合可以更好的实现二维材料层间电子的转移，更加便于碳量子点-氧化石墨烯叠层超结构材料实现功能上的应用

18、3、本发明方法制备出的碳量子点-氧化石墨烯叠层超结构材料，通过碳量子点的插入撑开石墨烯层间距，在能量存储与转换、海水淡化和电磁屏蔽等领域有潜在应用。

技术特征：

1.一种碳量子点-氧化石墨烯叠层超结构纳米材料的制备方法，其特征在于用碳量子点与氧化石墨烯协同有序超组装的方法制备碳量子点-氧化石墨烯杂化叠层超结构纳米材料，具体步骤如下：

2.根据权利要求1所述的一种碳量子点-氧化石墨烯叠层超结构材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述氧化石墨烯与非极性溶剂ⅰ的质量比为1:1~1:100；所述有机胺与非极性溶剂ⅰ的体积比为1:1~1:100；所述有机胺与有机酸的体积比为1:0.1~1:10；所述非极性溶剂ⅰ与极性溶剂的体积比1:0.5~1:10。

3.根据权利要求1所述的一种碳量子点-氧化石墨烯叠层超结构材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述碳量子点与非极性溶剂的质量比为1:1~1:100；所述有机胺与非极性溶剂的体积比为1:1~1:100。

4.根据权利要求1所述的一种碳量子点-氧化石墨烯叠层超结构材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）和步骤（2）中所述的非极性溶剂为正己烷、甲苯、氯仿、环己烷、四氯化碳、二氯甲烷、辛烷、溴乙烷、二硫化碳、四氯乙烯或四氢呋喃中的一种或几种。

5.根据权利要求1所述的一种碳量子点-氧化石墨烯叠层超结构材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述的极性溶剂为甲苯、丙酮、乙醇、甲醇或异丙醇中的一种或几种。

6.根据权利要求1所述的一种碳量子点-氧化石墨烯叠层超结构材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中氢氧化钠和乙醛的反应时间为0.5~2小时。

技术总结
本发明提供一种涉及一种碳量子点‑氧化石墨烯叠层超结构纳米材料的制备方法，本发明将亲水性二维石墨烯纳米片通过有机配体分子进行表面修饰，获得溶于非极性有机极性溶剂中的、具有理想胶体稳定性的改性氧化石墨烯，之后与预制并修饰好的碳量子点颗粒分散于非极性溶剂中超声混合均匀，经溶剂挥发诱导片层堆叠组装的同时，利用配体分子间的范德华相互作用指导碳量子点在氧化石墨烯片层间的协同有序组装，获得碳量子点‑氧化石墨烯叠层超结构材料产品。本发明制备的碳量子点‑氧化石墨烯叠层超结构纳米材料层间结合力强、扩大层间距、导电性能优异、机械和化学稳定性好，在能源的存储与转化领域具有广阔的应用前景。本发明方法工艺简洁，成本低，安全可靠，便于大规模地制备，利于推广应用。

技术研发人员：费兆泉,董安钢,吕轩宇,谢佼颖,聂志鸿
受保护的技术使用者：复旦大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/7