一种氮、溴共掺杂石墨烯量子点材料的制备方法与流程

1.本发明涉及的是材料化学领域，尤其是一种氮、溴共掺杂石墨烯量子点材料的制备方法。


背景技术：

2.石墨烯量子点由于良好的半导体特性、光致发光效应、低毒性和优异的生物相容性，其被广泛应用于光电催化、led发光、分析传感器、生物荧光标记等领域。然而，目前商业化的石墨烯量子点普遍存在荧光量子产率低、荧光发光种类单一、酸/碱耐受性差等缺点，难以达到在极端应用环境下和高精尖技术领域应用的多元化和高标准。虽然，对石墨烯量子点进行杂原子掺杂能够调控其理化特性，提高石墨烯量子点的光电性能和应用范畴。但是，杂原子掺杂石墨烯量子点的制备方法通常需要严苛的制备条件、繁杂的反应步骤，冗长的反应时间等缺点，限制了其广泛应用。因此，目前急需探索并开发简便、快速的杂原子掺杂石墨烯量子点的新型制备方法。


技术实现要素：

3.本发明的目的，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种氮、溴共掺杂石墨烯量子点材料的制备方法，该方案利用富氮含能材料在爆燃反应过程中温度急剧升高并快速恢复至室温的特性，使六溴苯裂解产生的小分子碎片能够有限生长为石墨烯量子。同时，在爆燃反应这种高温高压的极端环境下，实现氮、溴两种杂原子在石墨烯量子点分子中的共掺杂。能够实现高质量石墨烯量子点的简便、超快速制备和其理化特性的多元调控。
4.本方案是通过如下技术措施来实现的：一种氮、溴共掺杂石墨烯量子点材料的制备方法，包括有以下步骤：a、将叠氮化钠和六溴苯在液体中进行分散并均匀混合，形成反应前驱物后进行干燥处理；b、将完全干燥的反应前驱混合物至于惰性气体填充的密闭反应器中，将反应器升温至诱发爆燃反应，产物经过纯化后获得石墨烯量子点材料。
5.作为本方案的优选：步骤a中，叠氮化钠与六溴苯分子之间的摩尔比比值为1-6，通过调整比值大小能够调整最终获得的石墨烯量子点产物中氮和溴原子的掺杂含量。
6.作为本方案的优选：步骤a中，混合方式采用物理研磨混合，在研磨过程中需要添加不与反应前驱物产生反应的液体直至液面没过叠氮化钠和六溴苯混合物，并持续反复研磨直至样品呈现黏稠糊状。
7.作为本方案的优选：步骤a中，对反应前驱物的干燥方法为：采用真空烘箱干燥，烘干温度设定在50-80℃范围。
8.作为本方案的优选：步骤b中，反应器升温温度为450-600℃，升温方法包括电/磁加热或火源加热或油浴加热。
9.作为本方案的优选：步骤b中，反应器材质为耐高温材料，如不锈钢材料或石英材
料。
10.作为本方案的优选：步骤b中得到的石墨烯量子点材料产物，其点分子中存在氮原子和溴原子的掺杂，氮的原子掺杂量为0.5-5 at%，溴的原子掺杂量为0.5-2 at%，荧光激发波长为570-600 纳米，量子产率为30-60%，荧光寿命在3-10纳秒。
11.作为本方案的优选：步骤b中，纯化方法包括透析方法或离心方法。
12.作为本方案的优选：步骤b中，爆燃反应时间为1-10秒。
13.作为本方案的优选：液体包括乙醇或水或乙醇与水的混合液。
14.本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知：1、所制备氮、溴共掺杂石墨烯量子点相较于常规的石墨烯量子，其发光效率显著提升；2、由于氮和溴原子的掺杂，减弱了石墨烯量子点在强酸/碱性环境下的质子化作用，表现出了在广泛ph环境范围下极高的荧光发光稳定性；3、传统石墨烯量子点荧光通常呈现绿色和蓝色。在本发明中，杂原子掺杂能够缩短石墨烯量子点的能带结构，使其荧光发射波长红移，发出明亮的黄色荧光，提高了石墨烯量子点的应用多元性；4、本发明所采用的的制备方法无需繁杂的操作步骤，能够实现在秒级时间内快速制备石墨烯量子点，在降低了石墨烯量子点的制备难度并缩短了制备时间的同时，还高效地实现了氮、溴两种杂原子的掺杂。
15.由此可见，本发明与现有技术相比，具有操作简便，制备速度快等优势，能够良好解决目前现有制备技术手段步骤繁杂，耗时长等缺点。同时，本发明涉及制备的氮、溴共掺杂石墨烯量子点具有明亮的黄色荧光特性，兼具尺寸均一，ph环境耐受性好，量子产率高等优势，适用于不同环境下的多元化应用，其实施的有益效果也是显而易见的。
附图说明
16.图1为本发明制备的氮、溴共掺杂石墨烯量子点的xps n1s图。
17.图2为本发明制备的氮、溴共掺杂石墨烯量子点的xps br3d图。
具体实施方式
18.本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
19.本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
20.实施例1本实施例的具有杀菌功能的过滤材料的制备方法如下：将3克叠氮化钠和2克六溴苯置于100毫升容量石英研钵中，随后向其中加入3毫升乙醇并研磨至混合物组分呈糊状。将上述糊状样品置于真空烘箱中干燥8小时（60℃）从而获得反应前驱物。将上述反应前驱物置于100毫升不锈钢反应容器中，充入氩气5分钟以排除反应器内部空气。将反应器利用电磁加热快速加热至450℃诱发爆燃反应后停止加热，等
待冷却至室温后取出反应产物。将反应产物置于20厘米长，2厘米宽的透析袋中并放置于1000毫升水溶液烧杯中透析24小时。
21.实施例2本实施例的具有杀菌功能的过滤材料的制备方法如下：将1克叠氮化钠和2克六溴苯加入盛有200毫升水溶液的烧杯中超声搅拌30分钟。随后将上述混合液用液氮快速冷冻后置于冷冻干燥机中冻干24小时。将上述粉末状反应前驱物置于100毫升不锈钢反应容器中，充入氮气5分钟以排除反应器内部空气。将反应器利用火源加热至450℃以上诱发爆燃反应后停止加热，等待冷却至室温后取出反应产物。将反应产物置于含有200毫升纯水的烧杯中洗涤并搅拌5分钟，并在20000转的条件下离心。反复重复上述洗涤操作3次。
22.实施例3本实施例的具有杀菌功能的过滤材料的制备方法如下：将2克叠氮化钠和2克六溴苯置于100毫升容量石英研钵中，随后向其中加入3毫升乙醇并研磨至混合物组分呈糊状。将上述糊状样品置于真空烘箱中干燥8小时（60℃）从而获得反应前驱物。将上述反应前驱物置于石英管式炉中，在氮气氛围下快速加热至450℃诱发爆燃反应后停止加热，等待冷却至室温后取出反应产物。将反应产物置于20厘米长，2厘米宽的透析袋中并放置于1000毫升水溶液烧杯中透析24小时。
23.经测试发现，实施例1-3中的反应物配比、混合条件、加热条件、纯化方法相互之间有所差异，但是所得的石墨烯量子点均具有优异且相似的光电特性和理化性质。其中，叠氮化钠与六溴苯的初始配比不同，产物中的氮原子和溴原子掺杂量会有所差异。叠氮化钠用量越大，产物中氮原子掺杂量越高（范围在0.5-5 at%），溴原子掺杂量有略微增大（范围在0.5-2 at%）。
24.以实例3为案例，石墨烯量子点在紫外led灯照射下发射出明亮的黄色荧光，其平均粒径为3.5纳米，厚度不超过2纳米，最佳激发光波长为340纳米，发射光波长为570-600纳米，在ph为3-13的范围内，荧光强度的波动率小于10%，瞬态荧光寿命为7.2纳秒量子产率为52%。图1和图2证实了氮原子和溴原子在石墨烯量子点中的成功掺杂，其掺杂量分别为4.5 at%和1.17 at%。
25.本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。