碳量子点及制备方法和应用

本发明涉及一种碳量子点及制备方法和应用。

背景技术：

1、碳量子点是一种尺寸小于10 nm的新型类球形具有荧光性质的碳纳米颗粒，这种小尺寸的荧光材料发光范围可调，光稳定性能良好，除了具有传统半导体量子点的优良光致发光性能之外，还具有毒性低、生物相容性好、化学稳定性高、耐光漂白性强和易于表面修饰等优点，成为传统半导体量子点的理想替代材料，在生物医疗、光电材料、离子检测和光电催化等领域具有广阔的应用前景。

2、煤直接液化过程中会产生占液化原煤量30%左右的液化残渣，液化残渣主要成分是重质油、沥青烯、前沥青烯、未反应的煤（也称四氢呋喃不溶物）、无机矿物质以及残留的铁基催化剂，是一种高碳、高灰、高硫的物质。传统的煤液化残渣利用途径包括但不限于气化、燃烧等，这些方式未能充分利用液化残渣中特有的稠环、杂环结构以及其他大量有价值的有机碳组分，直接丢弃会造成资源浪费以及环境污染。从煤直接液化的整体经济性，资源利用以及环境保护的角度出发，充分利用这些组分制备新型碳材料，以实现煤液化残渣的高值转化。

3、目前，碳点的制备方法包括自下而上法和自上而下法。自下而上法则采用小分子有机物等为碳源，经过脱水、碳化等反应操作，使得其发生缩聚反应等一系列变化，最终合成碳量子点。自上而下法一般采用具有大分子结构的石墨、石墨烯或碳纳米管等为碳源，通过氧化、刻蚀等手段，部分降解或改性碳源的大分子结构，从而制得碳量子点。

4、cn116835570a公开了一种碳量子点纳米材料的制备方法。该方法包括：（1）将无水柠檬酸和na2so4混合热解，得到棕黑色固体；（2）将棕黑色固体溶解于水中，然后滴加naoh溶液，并调节ph至7，得到混合溶液；（3）向混合溶液中加入乙醇，搅拌混合后静置，取下层黑色粘稠液体，加水稀释，再加乙醇搅拌混合，如此重复多次后，将黑色粘稠液体滴加入甲醇中，形成棕色沉淀；抽滤后用甲醇洗涤，重复抽滤多次后将所得固体真空干燥，得到碳量子点纳米材料。该方法则是采用自下而上的方法，强氧化剂的使用浓度高，危险性大；制备过程中可能会产生有毒气体，且制备过程比较复杂。

5、cn112095113a公开了一种以煤为原料制备碳量子点的方法。该方法将煤粉与含氯离子的水溶液配制成水煤浆，采用电化学方法直接氧化此水煤浆制备碳量子点。虽然该文献采用电化学的方法制备碳点，但是其是以贵金属作为工作电极，成本较高，而且碳量子点的产率比较低。

6、cn 116374996a公开了一种氮掺杂碳量子点的制备方法。该方法将以煤沥青为碳源、氯化钾为模板、草酸氢钾与碳酸氢钾的混合物为剪裁剂在固体状态下混合，利用氯化铵分解产生的氨气为氮源，在惰性气体保护下利用原位掺杂和限域剪裁技术制得氮掺杂碳量子点，比表面积为966.9-1772.7m2/g、总孔孔容为1.43-2.35cm3/g、氮含量为2.83-5.42%；以锌箔为负极、1mol/l zn(clo4)2溶液为电解液，组装成锌离子混合电容器时，其容量可以达到144.8mah/g。该方法制备过程比较繁琐。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的一个目的在于提供一种碳量子点的制备方法，该制备方法不仅可以制备具有高附加值的碳量子点，同时得到的碳量子点产率较高。此外，还实现了煤废弃物资源最大化利用。本发明的另一个目的在于提供一种碳量子点。本发明的再一个目的在于提供一种煤基电极在制备碳量子点中的应用。

2、上述技术目的通过如下技术方案实现。

3、一方面，本发明提供一种碳量子点的制备方法，包括如下步骤：

4、（1）将筛分后的煤液化残渣在惰性气氛且温度为950～1500℃下进行碳化处理，得到碳化后的煤液化残渣；

5、（2）将包括0.9～3重量份的步骤（1）所得的碳化后的煤液化残渣和0.09～0.3重量份的聚偏氟乙烯混合，形成混合物；

6、（3）将所述混合物压制成型，获得煤基电极；

7、（4）将煤基电极置于碱性电解液中电解10～40h后收集液体，并过滤得到碳量子点溶液。

8、根据本发明的制备方法，优选地，步骤（1）中，碳化温度为1000～1400℃。

9、根据本发明的制备方法，优选地，惰性气体的流速为100～300ml/min；从室温升温至碳化温度的升温速率为5～20℃/min。

10、根据本发明的制备方法，优选地，将包括0.9～3重量份的步骤（1）所得的碳化后的煤液化残渣和0.09～0.3重量份的聚偏氟乙烯混合并研磨，形成混合物。

11、根据本发明的制备方法，优选地，步骤（3）中，压制成型在压片机上进行，压片强度为15～25mpa。

12、根据本发明的制备方法，优选地，所述碱性电解液为氢氧化钾溶液；所述氢氧化钾溶液的浓度为1～3mol/l。

13、根据本发明的制备方法，优选地，还包括如下步骤：

14、将碳量子点溶液透析、旋蒸和干燥后得到固体粉末，所述粉末即为碳量子点。

15、根据本发明的制备方法，优选地，透析时间为2～4天；干燥采用冷冻干燥；干燥时间为20～30h。

16、另一方面，本发明提供了一种由上述方法制备得到的碳量子点。

17、再一方面，本发明提供了一种煤基电极在制备碳量子点中的应用，将所述煤基电极置于碱性电解液中电解后收集液体，过滤得到碳量子点溶液；其中，所述煤基电极由包括如下步骤制备而得：

18、（1）将筛分后的煤液化残渣在惰性气氛且温度为950～1500℃下进行碳化处理，得到碳化后的煤液化残渣；

19、（2）将包括0.9～3重量份的步骤（1）所得的碳化后的煤液化残渣和0.09～0.3重量份的聚偏氟乙烯混合，形成混合物；

20、（3）将所述混合物压制成型，获得煤基电极。

21、相比现有技术的碳量子点的制备方法，本发明的有益效果如下：

22、（1）本发明提供的碳量子点的制备方法，以我国煤储量丰富的煤炭液化后的残渣为主要原料制备具有高附加值的碳量子点，同时实现了煤废弃物资源最大化利用。

23、（2）本发明以适当配比煤液化残渣和pvdf为原料构筑制备碳点所需电极，采用电化学氧化法制备碳量子点，具有制备纯度高、制备方法简单易行且清洁无污染等特点。

技术特征：

1.一种碳量子点的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，碳化温度为1000～1400℃。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，惰性气体的流速为100～300ml/min；从室温升温至碳化温度的升温速率为5～20℃/min。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，将包括0.9～3重量份的步骤（1）所得的碳化后的煤液化残渣和0.09～0.3重量份的聚偏氟乙烯混合并研磨，形成混合物。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，压制成型在压片机上进行，压片强度为15～25mpa。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碱性电解液为氢氧化钾溶液；所述氢氧化钾溶液的浓度为1～3mol/l。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，还包括将碳量子点溶液透析、旋蒸和干燥后得到粉末，所述粉末即为碳量子点。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，透析时间为2～4天；干燥采用冷冻干燥，干燥时间为20～30h。

9.一种碳量子点，其特征在于，其由权利要求7～8任一项所述的制备方法制备而得。

10.一种煤基电极在制备碳量子点中的应用，其特征在于，将所述煤基电极置于碱性电解液中电解后收集液体，过滤得到碳量子点溶液；其中，所述煤基电极由包括如下步骤制备而得：

技术总结
本发明公开了一种碳量子点及其制备方法和应用。该碳量子点的制备方法包括如下步骤：（1）将筛分后的煤液化残渣在惰性气氛且温度为950～1500℃下进行碳化处理，得到碳化后的煤液化残渣；（2）将包括0.9～3重量份的步骤（1）所得的碳化后的煤液化残渣和0.09～0.3重量份的聚偏氟乙烯混合，形成混合物；（3）将所述混合物压制成型，获得煤基电极；（4）将煤基电极置于碱性电解液中电解10～40h后收集液体，并过滤得到碳量子点溶液。该方法不仅能制备高附加值的碳量子点，还能实现了煤废弃物资源最大化利用。同时具有制备纯度高、制备方法简单易行且清洁无污染等特点。

技术研发人员：李娜,纪娜娜,范剑明,白汝展,周兴,刘全生
受保护的技术使用者：内蒙古工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/25