一种氮掺杂荧光石墨烯量子点及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种氮掺杂荧光石墨烯量子点及其制备方法。将甘氨酸加入超纯水中，搅拌后加入柠檬酸钠溶液，转移到内衬为聚四氟乙烯的高压反应釜中反应，高速离心，得氮掺杂荧光石墨烯量子点溶液，经旋转蒸发、真空冷冻干燥后得氮掺杂荧光石墨烯量子点白色固体粉末。氮掺杂荧光石墨烯量子点粒径为3~10nm，形貌为球形，含N元素，其溶液具强烈的蓝紫色荧光，最大发射峰值在440~460nm处，最大激发波长为360~380nm；其固体粉末能发出强烈的蓝色荧光，最大发射峰值在420~450nm处，最大激发波长为360 ~380nm。本发明专利技术操作简单，制备的氮掺杂荧光石墨烯量子点稳定性好，具有良好的水溶性。

Nitrogen Doped Fluorescent graphene quantum dot and preparation method thereof

The invention discloses a nitrogen doped fluorescent graphene quantum dot and a preparation method thereof. The addition of glycine in ultra pure water, stirring after adding sodium citrate solution, transferred to the liner for the reaction, autoclave PTFE in high speed centrifugation, the nitrogen doped graphene quantum dot solution, by rotation evaporation and vacuum freeze drying to obtain nitrogen doped graphene quantum dot white solid powder. Nitrogen doped graphene quantum dot size is 3~10nm. The morphology is spherical, containing N element, blue purple fluorescence with a strong solution, the maximum emission peak is at 440~460nm, the maximum excitation wavelength is 360~380nm; the solid powder can emit strong blue fluorescence, the maximum emission peak at 420~450nm, the maximum excitation wavelength 360 ~380nm. The invention has simple operation, and the prepared Nitrogen Doped Fluorescent graphene quantum dots have good stability and good water solubility.

【技术实现步骤摘要】
一种氮掺杂荧光石墨烯量子点及其制备方法
本专利技术涉及一种稳定的可见光区发光的氮掺杂石墨烯荧光量子点及其制备方法，属功能纳米材料

技术介绍
碳在自然界主要以石墨、金刚石、碳纳米管等形式存在。碳材料是一种环境友好的材料，近年来在能源与材料、生物方面得到人们广泛的关注。比如石墨烯，以其优良的光电性能使其在光电材料、新能源、催化、生物医用纳米材料等领域发挥着十分重要的作用。近年来，通过调控石墨烯的尺寸和表面功能化，人们将石墨烯开发成为一种新型的荧光材料。石墨烯量子点具有优于传统荧光材料的光稳定性和低的生物毒性，是绿色、经济的新兴荧光纳米材料。由于墨烯量子点具有结构可控，发光的可调并且可以批量生产的优越的条件，使得合成高质量的高荧光量子产率的石墨烯量子点成为近几年研究的热点之一。天津工业大学张坤、张志秋等以柠檬酸为碳源，碳酸铵为氮源，在180℃下水热12小时制备了氮掺杂石墨烯量子点。河南大学王云晶、刘迎秋等在100℃水热条件下，用氨水处理石墨烯量子点制备得到氮掺杂石墨烯量子点，其荧光量子产率为9.6%。西北大学张冬梅、田磊等以柠檬酸为碳源、尿素为氮源与160℃下水热4小时得到量子产率为18%的氮掺杂石墨烯量子点。上述的氮掺杂石墨烯量子点制备过程复杂、繁琐，需要精准调节反应溶液pH值，以及制备的石墨烯量子点量子产率较低，不同的含氮原材料选择也会极大的限制其在生物、能源方面的潜在应用。基于此，本专利技术选择了对环境友好的甘氨酸为含氮原材料、甘氨酸和柠檬酸钠为混合碳源，优化制备工艺，一步法水热合成稳定的高荧光量子产率的氮掺杂石墨烯荧光量子点。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种稳定、量子产率高、生产成本低的氮掺杂石墨烯荧光量子点及其制备方法。本专利技术涉及的氮掺杂荧光石墨烯量子点形貌为球形，粒径为3~10nm，量子点的晶面间距为0.34nm，0.21nm，分别对应石墨烯的002和100晶面；氮掺杂荧光石墨烯量子点溶液为无色透明，能发射强烈的蓝紫色荧光，其最大激发波长为360~380nm，最大发射峰位于440~460nm处，量子产率为22~31%；氮掺杂荧光石墨烯量子点溶液通过旋转蒸发、真空冷冻干燥能够制成石墨烯量子点白色粉末状固体，该固体粉末能够发射强烈的蓝色荧光，其最佳激发波长为360~380nm，最大发射峰值在420~450nm处，该固体能够在室温下储存三个月以上。氮掺杂荧光石墨烯量子点制备方法具体步骤为：（1）将0.0003~0.0012mol分析纯甘氨酸加入35~41mL超纯水中，搅拌5~10分钟后加入9~15mL浓度为0.1mol/L的柠檬酸钠溶液，得到无色透明溶液。（2）将步骤（1）所得溶液装入内衬为聚四氟乙烯的高压反应釜中，在160~200℃下反应8~14小时；反应完成后在9000~12000r/min离心5~10分钟，取上层清液，即得氮掺杂石墨烯荧光量子点溶液。（3）将步骤（2）所得上层清液进行旋转蒸发、真空冷冻干燥，得到氮掺杂石墨烯荧光量子点白色固体粉末。（4）将步骤（3）所得固体粉末进行荧光性能测试，其最佳激发波长为360~380nm，最大发射峰值在420~450nm处。（5）将步骤（2）得到的上清液进行荧光性能测试，发出强烈的蓝紫色荧光，其最大激发波长为360~380nm，最大发射峰位于440~460nm处。（6）以硫酸奎宁在浓度为0.1mol/L的H2SO4中量子产率为54%作参比，测定步骤（2）得到的上清液的荧光量子产率，量子产率为22~31%。（7）将步骤（3）所得固体粉末进行X射线光电子能谱测试，结果表明该材料中含有氮元素；将步骤（2）得到的上清液在场发射透射电镜下观察其形貌为球形量子点，粒径为3~10nm，量子点的晶面间距为0.34nm，0.21nm，分别对应石墨烯的002和100晶面，证明该量子点为石墨烯。（8）将步骤（2）得到的氮掺杂石墨烯荧光量子点溶液与步骤（3）得到的氮掺杂石墨烯荧光量子点白色固体粉末在室温下测定其稳定性,液体可保存1个月以上，固体能保存3个月以上。本专利技术原料以甘氨酸和柠檬酸钠为混合碳源，具有来源丰富、对环境无污染等优点，本专利技术制备的氮掺杂石墨烯荧光量子点具有制备工艺简单、成本低廉、稳定性好、荧光量子产率高，能够制成固体稳定的存储，在重金属离子检测、细胞成像方面是一种很有潜力的新型纳米材料。附图说明图1为实施例2中氮掺杂石墨烯荧光量子点粉末的荧光性能图谱。图2为实施例2中氮掺杂石墨烯荧光量子点溶液的荧光性能图谱。图3为实施例2中氮掺杂石墨烯荧光量子点的X射线光电子能谱曲线。图4为实施例2中氮掺杂石墨烯荧光量子点的透射电镜图。图5为实施例2中氮掺杂石墨烯荧光量子点溶液的高分辨透射电镜图。图6为实施例2中氮掺杂石墨烯荧光量子点溶液的高分辨透射电镜图。具体实施方式实施例1:（1）在100mL的烧杯中加入37mL超纯水，然后加入0.0003mol分析纯甘氨酸，磁力搅拌5分钟，得到无色澄清的甘氨酸溶液。在甘氨酸溶液中加入12mL浓度为0.1mol/L的柠檬酸钠溶液，继续磁力搅拌2分钟，形成无色澄清溶液。（2）将步骤（1）形成的无色澄清溶液装入内衬为聚四氟乙烯的高压反应釜中，在180℃下反应10小时，反应完成后在10000r/min下离心5分钟，取上层清液，即得氮掺杂石墨烯荧光量子点溶液。（3）将步骤（2）所得上层清液进行旋转蒸发、真空冷冻干燥，得到氮掺杂石墨烯荧光量子点白色固体粉末。（4）将步骤（3）所得固体粉末进行荧光性能测试，其最佳激发波长为370nm，最大发射峰值在424nm处。（5）将步骤（2）所得上层清液进行荧光性能测试，其最大激发波长为370nm，最大发射波长为444nm。（6）以硫酸奎宁在浓度为0.1mol/L的H2SO4中量子产率为54%作参比，测得步骤（2）得到的上清液的荧光量子产率为22.98%。（7）将步骤（3）所得固体粉末进行X射线光电子能谱测试，结果表明该材料中含有氮元素，将步骤（2）所得上层清液进行高分辨透射电子显微镜测试，观察到所得碳量子点外观为近球形，平均粒径约7nm，碳量子点的晶面间距分别为0.34nm、0.21nm，分别属于石墨烯量子点的002和100晶面。（8）将步骤（2）得到的氮掺杂石墨烯荧光量子点溶液与步骤（3）得到的石墨烯量子点白色固体粉末在室温下测定其稳定性，表明液体能够储存1个月以上，固体能够保存3个月以上。实施例2:（1）在100mL的烧杯中加入37mL超纯水，然后加入0.0006mol分析纯甘氨酸，磁力搅拌5分钟，得到无色澄清的甘氨酸溶液。在甘氨酸溶液中加入12mL浓度为0.1mol/L的柠檬酸钠溶液，继续磁力搅拌2分钟，形成无色澄清溶液。（2）将步骤（1）形成的无色澄清溶液装入内衬为聚四氟乙烯的高压反应釜中，在180℃下反应10小时，反应完成后在10000r/min下离心5分钟，取上层清液，即得氮掺杂石墨烯荧光量子点溶液。（3）将步骤（2）所得上层清液进行旋转蒸发、真空冷冻干燥，得到氮掺杂石墨烯荧光量子点白色固体粉末。（4）将步骤（3）所得固体粉末进行荧光性能测试，其最佳激发波长为370nm，最大发射峰值在424nm处（见附图1）。（5）将步骤（2）所得上层清液进行荧光性能测试，其最大激发波长为370nm，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮掺杂石墨烯荧光量子点及其制备方法，其特征在于氮掺杂荧光石墨烯量子点形貌为球形，粒径为3~10nm，量子点的晶面间距为0.34nm，0.21nm，分别对应石墨烯的002和100晶面；氮掺杂荧光石墨烯量子点溶液为无色透明，能发射强烈的蓝紫色荧光，其最大激发波长为360~380nm，最大发射峰位于440~460nm处，量子产率为22~31%; 氮掺杂荧光石墨烯量子点固体粉末能够发射强烈的蓝色荧光，其最佳激发波长为360~380nm，最大发射峰值在420~450nm处，该固体能够在室温下储存三个月以上。

【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂石墨烯荧光量子点及其制备方法，其特征在于氮掺杂荧光石墨烯量子点形貌为球形，粒径为3~10nm，量子点的晶面间距为0.34nm，0.21nm，分别对应石墨烯的002和100晶面；氮掺杂荧光石墨烯量子点溶液为无色透明，能发射强烈的蓝紫色荧光，其最大激发波长为360~380nm，最大发射峰位于440~460nm处，量子产率为22~31%;氮掺杂荧光石墨烯量子点固体粉末能够发射强烈的蓝色荧光，其最佳激发波长为360~380nm，最大发射峰值在420~450nm处，该固体能够在室温下储存三个月以上。2.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：覃爱苗，杨历，
申请(专利权)人：桂林理工大学，
类型：发明
国别省市：广西,45