[发明专利]一种可分散的石墨烯量子点的爆轰制备方法

说明书

本发明提供一种可分散的石墨烯量子点的爆轰制备方法。用爆轰法制备出粒径为1～20nm的石墨粉粒，利用氯酸钠和浓硫酸在石墨颗粒边缘修饰上含氧功能团，经过超声处理后得到可分散的石墨烯量子点。本发明所用爆轰法高效制备的石墨粉粒尺度恰好处于石墨烯量子点范围内，边缘修饰上了含氧功能团的石墨粉粒更易剥离成石墨烯量子点且可稳定分散到水或有机溶剂中。本发明所述方法适于工业生产，具有易控制，步骤简单，产率高等优点，不需要消耗巨大的能量，并且能减少污染气体的生成。

技术领域

本发明涉及石墨烯量子点制备领域，尤其涉及一种爆轰法来制备可分散的石墨烯量子点。

背景技术

石墨烯量子点是一种准零维的纳米材料，因边界效应和量子限制效应而展现出许多新的物化特性，在能量存储、生物医药、光电转化和电磁学领域具有重要的科学研究意义，也在生物、医学、材料、新型半导体器件等领域具备潜在应用价值。

目前，石墨烯量子点制备的主要途径是将石墨先剥离成氧化石墨烯或石墨烯后再“剪切”成小尺寸的石墨烯量子点，只是在“剪切”上采用不同的方式，例如水热法、溶剂热法、强酸氧化法、剥离法、电化学法、电子束辐照、臭氧法、超声法等。以上“剪切”方法存在诸如产量低、周期较长、纯化工艺复杂、耗能耗时、合成条件苛刻的技术。另一种制备策略是通过控制碳源尺寸，直接使用符合石墨烯量子点尺寸的石墨材料作为原料，只需要将原料剥离成石墨烯即可，不需要“剪切”过程。这种策略需要满足两个要求：第一，大量制备符合石墨烯量子点尺寸的石墨材料；第二，有效的石墨剥离手段。因此，发展一种满足这两个要求的工艺即可简单、大量、高效率、耗时少、高产率地合成石墨烯量子点。

发明内容

提出了一种可分散的石墨烯量子点的爆轰制备方法。用爆轰法制备出纯度较高的纳米级的石墨粉粒，尺寸分布在1nm～20nm范围内，平均粒径为2～10nm之间。利用氯酸钠和浓硫酸在石墨颗粒边缘修饰上含氧功能团，由于边缘修饰上了含氧功能团和较小的尺寸，石墨粉粒可以更为容易地被超声剥离成石墨烯量子点，同时边缘含有含氧基团的石墨烯量子点可以分散到水或有机溶剂中。

本发明采用如下技术方案：

一种可分散的石墨烯量子点的爆轰制备方法，包括如下步骤：

(1)将爆炸容器内抽成真空，采用CO₂，Ar或N₂做保护气体，点火引爆药柱，待产物沉降完毕后排出废气，收集容器内壁及底部的纳米级的石墨粉粒，用去离子水洗至中性，经干燥后存放在干燥皿中；

(2)将石墨粉粒和氯酸钠加入浓硫酸中，在冰浴的状态下搅拌，在石墨颗粒边缘修饰上含氧功能团，将反应产物离心清洗后加入水或有机溶剂中超声处理，得到稳定分散的石墨烯量子点。

步骤(1)中的真空压力小于100Pa。

步骤(1)中的纳米级的石墨粉粒主要分布在1～20nm。

步骤(2)中的氯酸钠与石墨烯的质量比为2～8，优选为5。

步骤(2)中的在冰浴的状态下搅拌时间为4小时及以上，优选为6h。

步骤(2)中的有机溶剂包括N-甲基吡咯烷酮、醛类、有机酸、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、氯苯、二氯苯及其混合物，优选N-甲基吡咯烷酮。

步骤(2)中超声处理时间为0.5～12h，优选为1h。

本发明具有如下优势：

(1)爆轰法制备的石墨粉粒平均尺度小，尺度恰好处于石墨烯量子点范围内，产率高，不需要消耗巨大的能量，并且能减少污染气体的生成。

(2)纳米级的石墨粉粒边缘修饰含氧基团有利于提升超声剥离的效率。

(3)石墨烯量子点其本身的尺度小，且边缘含有含氧基团，大大增加了其在溶液中的分散性。