[发明专利]一种水溶性石墨烯量子点的水热制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯量子点的制备技术，尤其是一种水溶性石墨烯量子点的水热制备技术。

背景技术

石墨烯是一类碳基材料，碳原子以sp²杂化形式组成键长为0.142nm的六角型蜂窝状晶格结构的二维平面薄膜。石墨烯的制备技术主要有胶带剥离法 、化学气相沉积法、SiC加热法、氧化石墨烯还原法等，每种制备技术都各有优缺点，其中化学气相沉积法技术是目前制备大面积单层石墨烯的主要技术。由于石墨烯是一类特殊的碳材料，其特殊的电学、光学、热学、力学性质目前已经在晶体管、单分子气体探测、集成电路、透明导电电极、生物器件、超级电容器以及力电耦合器等方面显示出重要的潜在应用价值。然而，石墨烯的半金属零能带性质限制了它在光电领域的应用。最近，美国莱斯大学(Rice University) 的研究表明，石墨烯量子点能实现单分子传感器。香港城市大学（CityU）李述汤教授领导的小组也用电化学的方法制备了碳量子点，并观察到了碳量子点的光致发光现象。目前，国际上关于石墨烯量子点的制备和光电性质研究取得的突破也预示着石墨烯能带是可以打开的，并且具有巨大的应用价值。

现有的打开石墨烯能带的技术主要有两种方法，第一是引入尺寸和量子限域效应，形成纳米带或量子点；第二是化学掺杂。美国斯坦福大学戴宏杰教授领导的研究小组在石墨烯纳米带的制备和应用研究方面做了许多突破性的重要研究，他们用多项技术均实现了一定宽度的石墨烯纳米带，基于石墨烯纳米带制备的场效应晶体管具有高达10⁷数量级的开关比，这些研究充分显示了石墨烯能带裁剪的重要性。

水溶性石墨烯量子点是一种可以溶解或分散在水中的石墨烯量子点。通过控制制备条件，可以制备分散性较窄的量子点。由于量子限域效应的存在，石墨烯量子点具有一定能隙，具有明显的光吸收和光致发光特性等半导体特性。它可以广泛地应用于生物荧光标记、光电子器件、超容量电池、新型复合材料等方面。

发明内容

本发明是解决目前石墨烯能带不易打开、不具有半导体性质、光学和电学性能不易调制等问题的，通过借助水热条件下糖分子的缩水聚合反应，制备尺寸可控的水溶性石墨烯量子点。

本发明的一种水溶性石墨烯量子点的水热制备方法，其特征在于该方法是在水热反应釜中加入0.01～1.0M多羟基碳水化合物的水溶液，在120～220℃温度下加热10～600分钟，让糖分子缩水聚合成尺寸为1～10nm的石墨烯量子点而制备得。

所述的多羟基碳水化合物是葡萄糖、蔗糖或果糖。

所述的制备方法中多羟基碳水化合物为反应物，水为溶剂，反应体系为密封体系。

发明方法制备得的石墨烯量子点是一种三个维度都受到量子限域作用的零维石墨烯材料，它的粒径范围为1.0～10nm，具有以下的特点：

1、水溶性，石墨烯量子点可以分散、溶解在水中，形成稳定的石墨烯量子点分散体系。

2、单分散性，制备的石墨烯量子点的平均粒径为2.3nm，量子点平均分布尺寸窄，可通过控制量子点合成条件，得到尺寸可控的量子点溶液。

3、原料来源广泛且廉价，使用的原料是糖，如葡萄糖、蔗糖、果糖等多羟基碳水化合物。

4、工艺环保，制备工艺一步合成，不涉及中间体的制备及纯化等过程。

5、易于批量生产，只需要耐高压的水热反应釜就可以完成制备工艺。

6、特殊的光电特性，石墨烯量子点具有半导体性质，具有光吸收、光致发光、场效应等特点，可以在光电子领域有广泛的应用。

附图说明

图1是在不同加热时间条件下制备得到的石墨烯量子点。

图2是石墨烯量子点的紫外可见光吸收光谱。

图3是石墨烯量子点的低放大倍率TEM图。

图4是石墨烯量子点的高放大倍率TEM图。

图5是含有石墨烯晶格条纹的石墨烯量子点高分辨透射电镜图。

图6是石墨烯量子点101衍射环的电子衍射图。

图7是平均尺寸为2.3nm的石墨烯量子点粒径分布统计图。

具体实施方式

实施例1：配制0.5M葡萄糖水溶液，向水热反应釜的聚四氟乙烯内衬容器中加入40ml溶液，盖紧盖子形成密闭空间，将反应釜放进190℃的炉子中，加热120分钟，即得到平均尺寸为2.3nm的石墨烯量子点。

实施例2：配制0.01M蔗糖水溶液，取 40ml溶液于反应釜中，盖紧盖子形成密闭空间，将反应釜放进220℃的炉子中，加热600分钟。得到平均尺寸为4.3nm的石墨烯量子点。