本发明专利技术提供了一种电化学氧化切割碳纤维尖端面制备的石墨烯量子点及方法。该方法包括以下步骤：将碳纤维作为阳极、惰性电极作为阴极分别连接直流电源正负极；将惰性电极全浸于电解质溶液中；通电前将碳纤维尖端面与电解质溶液液面接触；通电期间碳纤维尖端面工作区间位于电解质溶液液面的-3至5mm范围内；通过间断或连续地控制碳纤维尖端面处于该工作区间，使碳纤维尖端面上的微晶石墨片层被电化学氧化膨胀解离和切割成石墨烯量子点。本发明专利技术提供的石墨烯量子点由该方法制备得到，其层数为1-10层、粒径为1-100nm。本发明专利技术的制备方法具有更高的氧化膨胀解离和切割能力，实现了层数更低、粒径分布均匀和尺寸更小的石墨烯量子点的制备。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于纳米材料制备
，具体为一种电化学氧化切割碳纤维尖端面制备石墨烯量子点的方法，进而得到一系列具有不同纳米尺寸、不同碳/氧比和不同特性的石墨烯量子点。
技术介绍
石墨烯是一种由碳原子以Sp2杂化轨道组成的二维(2D)六角型呈蜂巢晶格的平面单层，并且是所有其它维度石墨材料的基本构建模块。它可以被包装成零维(OD)的富勒烯，卷成一维(ID)的纳米管或堆叠成三维(3D)的石墨。石墨烯是目前世界上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高达5300W/m*K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000cm2/V.s，远高于碳纳米管或硅晶体，而且它的电阻率只有106Ω.cm，比铜或银更低，为目前世界上电阻率最小的材料。因为它的电阻率极低，电子传输速度极快，因此被期待用来发展导电速率更快的新一代电子元件或晶体管。石墨烯实质上也是一种透明、良好的导体，非常适合用来制造透明触摸屏、光板、甚至是太阳能电池。石墨烯还有一个重要的特性，能够在常温下观察到量子霍尔效应，因此在其领域的深入研究将对未来电子器件的发展发挥特殊的作用，并可用于制备低能耗的高速电子器件。石墨烯量子点(Graphene quantum dot, GQD)是准零维的纳米材料,其内部电子在各方向上的运动都受到局限，所以量子局域效应特别显著，具有许多独特的性质。其与传统的半导体量子点相比，新型的石墨烯量子点具有如下独特的性质:1)不含高毒性的金属元素如镉、铅等，属环保型量子点材料；2)结构非常稳定，耐强酸、强碱，耐光腐蚀(传统半导体量子点应用于光电化学器件易发生光氧化，导致性能下降和低的器件寿命)；3)厚度可薄到单原子层，而横向大小可减小到一个苯环的大小，却仍然保持高度的化学稳定性；4)带隙宽度范围可调，原则上可通过量子局域效应和边界效应在0-5eV范围内调节，从而将波长范围从红外区扩展到可见光及深紫外区，满足各种技术对材料能隙和特征波长的特殊要求；5)容易实现表面功能化，可稳定分散于常见溶剂，满足材料低成本加工处理的需求。这或将为电子学、光电学和电磁学领域带来革命性的变化。其能够应用于太阳能电池、电子设备、光学染料、生物标记和复合微粒系统等方面。石墨烯量子点在生物、医学、材料、新型半导体器件等领域具有重要潜在应用。其能实现单分子传感器，也可能催生超小型晶体管或是利用半导体激光器所进行的芯片上通讯，用来制作化学传感器、太阳能电池、医疗成像装置或是纳米级电路等等。从尺寸上来讲，石墨烯量子点与石墨烯相同之处在于厚度上均为单层或少层(不超过10层，每层的厚度在0.34-0.40nm左右)，差异在于平面取向上的大小不同，前者小于lOOnm，后者则在微米级尺度以上。前者的制备难点在于如何获得更小的纳米级量子点，而后者的制备难点在于层数控制。这导致二者在原料的选择和制备方法上存在很大的差异。例如针对自上而下的制备方法，从原料上来讲，前者采用微晶碳材料更为有利，比如碳纤维的微晶尺度只有数十纳米(《碳纤维及石墨纤维》，贺福编著，北京:化学工业出版社，2010)，因此只要解离方法合适很容易得到石墨烯量子点，制备方法上的难点在于如何尽可能将每一个微晶都从体相中独立切割出来，至于得到单层尺度则相对很容易(基于微晶片径和厚度只有数十个纳米，层间范德华力较小)；而后者采用高度石墨化的具有大片层晶体结构碳材料更为有利，比如鳞片石墨，制备方法上的难点在于如何尽可能将每一个片层都从晶相中独立切割出来(基于大尺寸石墨晶体的层间范德华力较大)，至于得到平面取向的大尺度则相对容易，因此目前已有的采用自上而下的制备方法往往得到的产品是以大尺度少层或多层石墨烯为主(如US7658901、CN103935999A、CN101634032A中的制备方法)，而采用自下而上的制备方法得到大尺度的单层石墨烯相对容易些，例如CVD化学气相沉积方法(如US2009110627A1中的制备方法)，但批量制备是个难点。以下主要从材料学的角度，沿用自上而下和自下而上的思路重点介绍一下已有的石墨烯量子点制备方法。自上而下的方法是指通过物理或化学方法将大尺寸的石墨烯薄片切割成小尺寸的石墨烯量子点。例如:CN102660270A《溶剂热法制备荧光石墨烯量子点的方法》首先制备氧化石墨烯，然后利用溶剂热把氧化石墨烯切割成量子点，CN102616774A《一种制备石墨烯量子点的方法》是在水热切割过程加入胺类钝化剂，它们的缺点是高热、高能、产量低；CN102336404A《基于光催化氧化的氧化石墨烯量子点的制备方法》，在超声、双氧水和催化剂作用下结合紫外辐射制备氧化石墨烯量子点，这种方法制备的量子点分布得到提高，但难以进行高产量的制备，而且量子点形状与边缘形貌难以控制；2012年 Chem.Eur.J.的 Electrochemical preparat1n of luminescent graphene quantumdots from multiwalled carbon nanotubes 和 J.Mater.Chem.的 Facile synthesis ofwater-soluble, highly fluorescent graphene quantum dots as a robust b1logicallabel for stem cells,采用电化学剥离制备水溶性较好的石墨烯量子点,但原材料石墨的前期处理工作耗时长，后期纯化步骤耗时也较长，产品产率不高；CN102208755A《紫外光刻蚀干法制备石墨烯量子点的方法》利用紫外光刻蚀云母片上的石墨烯得到石墨烯量子点，此方法的缺点是有福射、耗能大、制备量小；2012年Nano Letter发表的Graphene quantumdots at room temperature carved out from few-layer graphene,米用电子束刻蚀已得到的石墨烯制备石墨烯量子点。这些方法都经过氧化还原，再切割，分几步进行，制备过程繁杂，周期长，产量低，而且条件苛刻，难以推广。CN103265020A《一种宏量制备石墨烯量子点粉体的方法》从天然鳞片石墨出发，第一步将天然鳞片石墨转变为石墨纳米颗粒，第二步将石墨纳米颗粒转变为一阶插层纳米氧化石墨，第三步将一阶插层纳米氧化石墨置于非密封有盖坩埚中，在空气中热处理获得石墨烯量子点粉体，第二步中要使用大量的强酸和强氧化剂，整个制备过程复杂，耗时长，污染严重，粒径和层数分布控制差，而且第三步热处理会导致产物亲水性能变差。此外，以微晶碳材料为碳源的制备方法也被采用:2012年NanoLetter发表的Graphene quantum dots derived from carbon fibers,米用碳纤维为碳源，通过酸处理将纤维中堆垛的石墨剥离，仅一步就能制得大量不同粒径分布的石墨烯量子点，该法优势在于步骤简单和原料便宜，但缺点是制备过程要使用大量的硫酸和硝酸，耗时长，污染严重，而且粒径分布范围很宽，需要后续的透析分离处理得到更小的粒度，导致有效的制备产率低；2012 年 J.Mater.Chem.发表的 One-step and h本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种电化学氧化切割碳纤维尖端面制备石墨烯量子点的方法，其包括以下步骤：将一丝束状碳纤维作为阳极，将一惰性电极作为阴极，分别与直流电源的正极、负极相连接；将所述惰性电极全浸于一电解质溶液中；碳纤维阳极的工作面由整齐的丝束尖端面组成，在通电前将碳纤维尖端面与所述电解质溶液液面平行相接触；然后开始通电，通电期间碳纤维尖端面的工作区间位于电解质溶液液面下方到上方的‑3mm至5mm的范围内；通过间断或连续地控制碳纤维尖端面处于所述工作区间内，使得碳纤维尖端面上的微晶石墨片层被电化学氧化膨胀解离和切割成石墨烯量子点，并溶解于所述电解质溶液中，得到石墨烯量子点溶液。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：徐海波，
申请(专利权)人：徐海波，
类型：发明
国别省市：山东;37
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