一种超声结合微波制备石墨烯量子点的方法技术

本发明专利技术公开了一种超声结合微波制备石墨烯量子点的方法。本发明专利技术制备方法将石墨和NaOH加入到N‑甲基吡咯烷酮中，再依次通过超声剥离、破碎，微波辐射加热，得到尺寸均一的石墨烯量子点。本发明专利技术方法以石墨为原料，在NaOH/N‑甲基吡咯烷酮中，利用超声和微波制备石墨烯量子点，避免了强酸和强氧化剂的使用，得到的石墨烯量子点边缘缺陷少，在生物、医疗等领域有重要的研究与应用价值；同时，本发明专利技术方法工艺简单，消耗低，产率较高，且用于分散石墨的N‑甲基吡咯烷酮可重复使用，为石墨烯量子点的合成提供了新思路，有利于工业化大规模生产。

A method for preparing graphene quantum dots by ultrasonic and microwave irradiation

The invention discloses a method for preparing graphene quantum dots by ultrasonic combined with microwave. The preparation method of the invention adds graphite and NaOH into N methyl pyrrolidone, and then through the ultrasonic stripping, crushing and microwave radiation, the homogeneous graphene quantum dots are obtained. In this method, graphite is used as raw material to prepare quantum dots of graphene by ultrasonic and microwave in NaOH/N methyl pyrrolidone. It avoids the use of strong acid and strong oxidizing agent. It has little defects in the edge of graphene quantum dots. It has important research and application value in the fields of biology and medicine. Meanwhile, the method of the invention is made. It is simple, low consumption, high yield, and the N methyl pyrrolidone used for dispersing graphite can be reused. It provides a new idea for the synthesis of graphene quantum dots, which is beneficial to large-scale industrial production.

【技术实现步骤摘要】
一种超声结合微波制备石墨烯量子点的方法
本专利技术涉及石墨烯量子点制备
，具体涉及一种超声结合微波制备石墨烯量子点的方法。技术背景石墨烯量子点是一种以石墨烯为母体的一种新型准零维碳纳米材料，与石墨烯相比具有更强的量子效应和场效应。此外，还具有低生物毒性，优异的分子规整性，良好的荧光效应等性能，因而其在纳米材料、光电材料、生物成像、药物载体等方面具有良好的应用潜力与应用前景。石墨烯量子点的主要合成方法为自上而下法，指以碳纳米管、碳纳米纤维、氧化石墨烯、石墨烯等大分子碳聚合物作为碳源的方法，通过将大分子打碎为量子级别的纳米小分子，包括有水热合成法、微波合成法、超声化学法、管式炉高温剥离法、富勒烯开笼法和碳纳米管化学分解等方法；次要合成方法为自下而上法，是以葡萄糖、柠檬酸钠等几十、几百个相对分子量的小分子通过化学反应聚合而成分子量相对较大的量子点的方法。目前，制备高反应得率、高性能、高质量的石墨烯量子点的方法还需克服不少难题：自上而下的方法步骤相对而言比较简便，反应得率较高，但无法实现对石墨烯量子点的表面形态和横向尺寸的精准控制；自下而上的方法大多具有更强的可调控性，但通常存在步骤较为繁杂，操作不易等缺点；其它的特殊方法(如电子束蚀刻)大多需要较为苛刻的制备条件或是操作较危险，限制了这些方法的应用和推广。本专利技术提供了一种石墨烯量子点及其制备方法。首次利用石墨为原料，采用超声及微波辐射法在NaOH/N-甲基吡咯烷酮中制备石墨烯量子点。该制备过程简单耗费低，为工业化大生产提供了可能，并且制备出来的石墨烯量子点与其它方法合成出来的量子点相比，原子尺寸上的缺陷少，边缘结构更完整。此外，本专利技术还为石墨烯量子点的制备提供了新的方向，亦为石墨烯量子点的进一步研究与应用提供了良好的理论与实践基础。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种超声结合微波制备石墨烯量子点的方法。该制备方法以石墨为原料，以N-甲基吡咯烷酮为分散剂，在NaOH辅助下，经超声剥离、破碎将石墨片层剥离、打孔、破碎，生成石墨烯量子点，微波辐射加热进行反应后，经透析除去N-甲基吡咯烷酮，过滤、旋转蒸发浓缩，得到石墨烯量子点，此过程无需添加任何强酸或强氧化剂等试剂。本专利技术的目的通过如下技术方案实现。一种超声结合微波制备石墨烯量子点的方法，将石墨和NaOH加入到N-甲基吡咯烷酮中，再依次通过超声剥离、破碎，微波辐射加热，得到尺寸均一的石墨烯量子点。一种超声结合微波制备石墨烯量子点的方法，具体包括如下步骤：(1)将NaOH和石墨加入到N-甲基吡咯烷酮中，得到混合溶液；(2)将混合溶液置于超声波清洗器中超声剥离，再置于超声细胞破碎仪中超声破碎，最后经微波辐射加热进行反应；(3)反应结束后，经透析、过滤、旋转蒸发浓缩，得到石墨烯量子点。进一步地，步骤(1)中，所述混合溶液中，NaOH的浓度为0.1-1.5mg/ml。进一步地，步骤(1)中，所述混合溶液中，石墨的浓度为0.1-12.5mg/ml。进一步地，步骤(2)中，所述超声剥离的超声波发射功率为160-400W，超声时间为1-8h，经过超声剥离处理，石墨片层被剥离，粉末状的石墨变蓬松、体积变大。进一步地，步骤(2)中，所述超声破碎的超声波发射功率为240-360W，超声时间为0.5-4h，优选为2-4h，经超声细胞破碎仪超声破碎处理后，石墨片层上出现孔洞，同时石墨片层被打碎小块石墨，此时有石墨烯量子点生成。进一步地，步骤(2)中，所述微波辐射加热的微波辐射功率为600-1000W，经微波辐射加热后，石墨烯量子点与N-甲基吡咯烷酮可通过透析更好地分离。进一步地，步骤(2)中，所述反应的温度为90-110℃，时间为0.1-1h。进一步地，步骤(3)中，所述透析是采用500-1000Da的透析袋进行蒸馏水透析，透析时间为5-7天。进一步地，步骤(3)中，所述旋转蒸发浓缩是蒸发浓缩至浓度为400-600μg/ml。进一步地，制备的石墨烯量子点的粒径大小为1-7nm。进一步地，制备的石墨烯量子点在365nm的紫外灯照射下发出浅蓝色荧光。进一步地，制备的石墨烯量子点用320-330nm激光激发时，发射出的荧光强度最强，最强荧光波长位于420-440nm。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和有益效果：(1)本专利技术方法以石墨为原料，在NaOH/N-甲基吡咯烷酮中，利用超声和微波制备石墨烯量子点，避免了强酸和强氧化剂的使用，得到的石墨烯量子点边缘缺陷少，在生物、医疗等领域有重要的研究与应用价值；(2)本专利技术方法工艺简单，消耗低，产率较高，且用于分散石墨的N-甲基吡咯烷酮可重复使用，为石墨烯量子点的合成提供了新思路，有利于工业化大规模生产。附图说明图1a为实施例1制备的石墨烯量子点的原子力显微镜(AFM)图；图1b为沿着图1a中白线的高度剖面图；图1c为实施例1制备的石墨烯量子点的透射电子显微镜(TEM)图；图1d为图1c中石墨烯量子点的二维快速傅里叶变换(2D-FFT)图；图2a为实施例1中滤渣上清液的原子力显微镜(AFM)图；图2b为实施例1中滤渣上清液的透射电子显微镜(TEM)图；图3为实施例1制备的石墨烯量子点的荧光光谱图；图4a为N-甲基吡咯烷酮的荧光光谱图；图4b为用320nm波长激发，0.1mg/ml实施例2制备的石墨烯量子点与0.1mg/mlN-甲基吡咯烷酮的荧光光谱对比图；图5为实施例2制备的石墨烯量子点的荧光光谱图；图6为实施例3制备的石墨烯量子点的荧光光谱图；图7为实施例4制备的石墨烯量子点的荧光光谱图；图8为实施例5制备的石墨烯量子点的荧光光谱图。具体实施方式以下结合具体实施例及附图对本专利技术技术方案作进一步详细说明，但本专利技术的实施例及保护范围不限于此。实施例1(1)将100mgNaOH溶于100mlN-甲基吡咯烷酮中，再加入100mg石墨，搅拌使石墨分散均匀，得到混合溶液；(2)然后将混合溶液置于超声波清洗器中，调节超声波发射功率为400W，超声时间8h；接着将所得溶液置于超声细胞破碎仪中，调节超声波发射功率为360W，超声时间4h；最后通过微波辐射加热，微波辐射功率为600W，辐射温度为100℃，加热1h；(3)反应结束后，将得到的反应溶液采用500Da的透析袋进行蒸馏水透析7天，过滤后通过旋转蒸发浓缩至400μg/ml，得到石墨烯量子点。制备的石墨烯量子点的原子力显微镜(AFM)图如图1a所示，沿着图1a中白线的高度剖面图如图1b所示，由图1a和图1b可知，该石墨烯量子点的粒径为1-3nm。制备的石墨烯量子点的透射电子显微镜(TEM)图如图1c所示；图1c中石墨烯量子点的二维快速傅里叶变换(2D-FFT)图如图1d所示，由图1c及图1d可知，该石墨烯量子点的晶格间距为0.28nm。将步骤(3)中过滤所得滤渣用水重新分散后取上清液，得到未转化为石墨烯量子点的原料，对其形貌进行表征以探讨超声及微波在合成石墨烯量子点过程中的作用机理；滤渣的上清液的AFM图和TEM图分别如图2a和图2b所示，由图2a和图2b可知，经过超声及微波处理后，原料石墨片层剥离，并且片层上形成孔洞结构，孔洞处的石墨掉落形成石墨烯量子点。制备的石墨烯量子点的荧光光谱图如图3所示，由图3可知，在300-38本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超声结合微波制备石墨烯量子点的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将NaOH和石墨加入到N‑甲基吡咯烷酮中，得到混合溶液；(2)将混合溶液置于超声波清洗器中超声剥离，再置于超声细胞破碎仪中超声破碎，最后经微波辐射加热进行反应；(3)反应结束后，经透析、过滤、旋转蒸发浓缩，得到石墨烯量子点。

【技术特征摘要】
1.一种超声结合微波制备石墨烯量子点的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将NaOH和石墨加入到N-甲基吡咯烷酮中，得到混合溶液；(2)将混合溶液置于超声波清洗器中超声剥离，再置于超声细胞破碎仪中超声破碎，最后经微波辐射加热进行反应；(3)反应结束后，经透析、过滤、旋转蒸发浓缩，得到石墨烯量子点。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述混合溶液中，NaOH的浓度为0.1-1.5mg/ml。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述混合溶液中，石墨的浓度为0.1-12.5mg/ml。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述超声剥离的超声波发射功率为160-400W，超声时间为1-8h。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述超声破碎的超声波发射功...

【专利技术属性】
技术研发人员：王小英，蔡济海，孙润仓，李晓云，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44