一种氮硫共掺杂碳量子点的制备方法技术

本发明专利技术属于碳纳米材料领域，涉及一种氮硫共掺杂碳量子点的制备方法。具体为，先将煤粉与含氯离子的水溶液配制成水煤浆，然后在水煤浆中加入氮硫掺杂剂，通电进行电解氧化可获得非金属元素共掺杂的固体碳量子点。本发明专利技术以廉价易得的煤作为碳源，以水煤浆作为电解液，将碳量子点合成与非金属掺杂合为一步，生产工艺简单，不但有利于拓展煤的新型利用方式，而且制备方法适合大规模生产应用。

A preparation method of nitrogen sulfur Co doped carbon quantum dots

【技术实现步骤摘要】
一种氮硫共掺杂碳量子点的制备方法
本专利技术属于碳纳米材料
，具体涉及一种氮硫共掺杂碳量子点的制备方法。
技术介绍
碳量子点是一种新式的碳纳米材料，相比于传统的纳米材料，碳量子点不仅有良好的小尺寸特性、优异的光学性能和易于表面功能化，而且保持了碳材料低毒性和生物相容性好的特点。异质元素掺杂已经用于调整荧光性质并且被认为是有效产生高性能碳量子点的最佳途径，且多以非金属元素掺杂为主。我国煤炭储量丰富，但主要用作燃料，不仅造成了严重的环境污染，还浪费了这种宝贵的化石资源。煤富含由缩合芳环形成的大分子结构，此组分在氧化剂作用下，易于生成碳量子点，这有利于拓展煤的非燃料利用，并实现其高值化利用。电化学氧化法是一类制备碳纳米材料的理想手段，其突出特点在于制备过程易于控制和反应条件温和。然而常规电化学氧化中，常将碳源作为电极材料，这不利于碳纳米材料制备规模的放大。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种氮硫共掺杂碳量子点的制备方法。本专利技术的技术构思为，以煤为碳源，将煤粉用含氯离子的水溶液配制成水煤浆，加入氮硫源掺杂剂后进行电化学氧化反应，制备氮硫共掺杂碳量子点。本专利技术的上述目的是通过下面技术方案实现的：一种非金属元素共掺杂碳量子点的制备方法，包括如下步骤：1)选取煤为原料，粉碎至100目以上，然后通过搅拌将原料均匀分散在含氯离子的水溶液中，制得水煤浆；2)以石墨或涂有氧化钌的钛为阳极，以石墨或镍网为阴极，在步骤1)所得水煤浆中加入适量氮硫掺杂剂，搅拌均匀后，通电进行电解氧化；3)反应结束后将步骤2)得到的混合物高速离心，将未反应的残渣过滤掉，得到滤液装入得到的滤液装入截留分子量为3500Da的透析袋中，透析3天，每间隔12h换一次水；4)将步骤3)透析后的溶液通过减压蒸馏进行浓缩，然后通过冷冻干燥即可获得固体的氮硫共掺杂碳量子点。一种优选的技术方案为，所述的含氯离子的水溶液可以为海水或含氯离子的工业废水。进一步的附件技术特征如下。所述的含氯离子的水溶液中氯离子的摩尔浓度为0.1mol/L至2mol/L。所述的水煤浆中，煤粉的质量的浓度优选2g/L至30g/L。所选用的氮硫掺杂剂优选硫脲，添加氮硫掺杂剂后，混合溶液中氮硫掺杂剂的浓度为0.1～1mol/L。所述的电解氧化反应的过程中，电流密度优选0.1A/cm2至1A/cm2，电解时间为0.5h至10h。上述的技术方案中，所述的原料煤为褐煤、次烟煤、烟煤和无烟煤中的任一种，使用前，将其粉碎至100目以上。本专利技术的优势在于所用原料煤相对廉价易得，且煤在溶液中反应而非作为电极，具有生产规模易于放大的优势。此外，将碳量子点合成与非金属掺杂合为一步，简化了生产工艺，有效地降低了生产成本。附图说明图1为本专利技术实施例1所制备的氮硫共掺杂碳量子点的透射电镜图及粒径分布图，图中(a)以煤为碳源制备的碳量子点的透射电镜图；(b)碳量子点的粒径分布直方图。具体实施方式以下结合实施例对本专利技术做进一步描述。实施例1(1)选取昭通褐煤为原料，粉碎至100目以上，称量0.2g煤粉通过搅拌均匀分散在氯离子浓度为1.7mol/L的0.1L的水溶液中，制得浓度为2g/L的水煤浆。(2)以涂有氧化钌的钛为阳极，以镍网为阴极，在(1)制得的水煤浆中加入0.1mol的硫脲，在电流密度为0.5A/cm2下对(1)所得水煤浆通电进行电解氧化1.5h。(3)反应结束后将(2)得到的混合物高速离心，将未反应的残渣过滤掉，将得到的滤液装入截留分子量为3500Da的透析袋中，透析3天，每间隔12h换一次水；(4)将透析袋内的溶液通过减压蒸馏进行浓缩，然后通过冷冻干燥可获得硫氮共掺杂的固体碳量子点，碳量子点的量子产率为1.6％。图1为实施例1所制备的氮硫共掺杂碳量子点的透射电镜图及粒径分布图。由图1可以看出明显，本专利技术方法制备的氮硫共掺杂碳量子点的粒径为0.5-3nm。表1为本专利技术方法制备的氮硫共掺杂碳量子点的XPS测试结果，从表1中数据可以看出，本专利技术方法制备的氮硫共掺杂碳量子点表面的元素中，N元素为6.29％，S元素为5.40％；表2为同等条件下碳量子点的制备过程中未添加掺杂剂制备得到的碳量子点的XPS测试结果，对比表1、表2中数据，可以明显看出采用本专利技术的制备方法，硫脲中的N、S元素较好地掺杂到了碳量子点的表面。表1氮硫共掺杂碳量子点的XPS测试数据表2未掺杂碳量子点的XPS测试数据实施例2(1)选取伊宁次烟煤为原料，粉碎至100目以上，称量3g煤粉然后通过搅拌均匀分散在浓度为0.1mol/L的0.1L的水溶液中，制得浓度为30g/L的水煤浆。(2)以涂有氧化钌的钛为阳极，以镍网为阴极，在(1)制得的水煤浆中加入1mol的硫脲，在电流密度为1A/cm2下对(1)所得水煤浆通电进行电解氧化0.5h。(3)反应结束后将(2)得到的混合物高速离心，将未反应的残渣过滤掉，将得到的滤液装入截留分子量为3500Da的透析袋中，透析3天，每间隔12h换一次水；(4)将透析袋内的溶液通过减压蒸馏进行浓缩，然后通过冷冻干燥即可获得硫氮共掺杂的固体碳量子点，碳量子点的量子产率为1.5％。实施例3(1)选取吕梁烟煤为原料，粉碎至100目以上，称量1g煤粉通过搅拌均匀分散在氯离子浓度为0.5mol/L的0.1L的水溶液中，制得浓度为10g/L的水煤浆。(2)以涂有氧化钌的钛为阳极，以镍网为阴极，在(1)制得的水煤浆中加入0.3mol的硫脲，电流密度为0.1A/cm2下对(1)所得水煤浆通电进行电解氧化3.0h。(3)反应结束后将(2)得到的混合物高速离心，将未反应的残渣过滤掉，将得到的滤液装入截留分子量为3500Da的透析袋中，透析3天，每间隔12h换一次水；(4)将透析袋内的溶液通过减压蒸馏进行浓缩，然后通过冷冻干燥可获得氮硫共掺杂的固体碳量子点，碳量子点的量子产率为1.35％。实施例4(1)选取晋城无烟煤为原料，粉碎至100目以上，称量1g煤粉通过搅拌均匀分散在氯离子浓度为1mol/L的0.1L的水溶液中，制得浓度为10g/L的水煤浆。(2)以石墨片分别为阳极和阴极材料，在(1)制得的水煤浆中加入0.8mol的硫脲在电流密度为1.0A/cm2下对(1)所得水煤浆通电进行电解氧化10h。(3)反应结束后将(2)得到的混合物高速离心，将未反应的残渣过滤掉，将得到的滤液装入截留分子量为3500Da的透析袋中，透析3天，每间隔12h换一次水；(4)将透析袋内的溶液通过减压蒸馏进行浓缩，然后通过冷冻干燥可获得氮硫共掺杂的固体碳量子点，碳量子点的量子产率为1.45％。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮硫共掺杂碳量子点的制备方法，其特征在于，将煤粉与含有一定量的氯离子的水溶液制成水煤浆，以石墨或涂有氧化钌的钛为阳极，以石墨或镍网为阴极，在水煤浆加入适量的氮硫掺杂剂后通电进行电解；反应结束后，将得到的混合物高速离心分离，过滤离心分离得到的上清液，得到的滤液装入截留分子量为3500Da的透析袋中，透析3天，每间隔12h换一次水，将透析袋内的溶液通过减压蒸馏进行浓缩，然后通过冷冻干燥即可获得固体的氮硫共掺杂碳量子点。/n

【技术特征摘要】
1.一种氮硫共掺杂碳量子点的制备方法，其特征在于，将煤粉与含有一定量的氯离子的水溶液制成水煤浆，以石墨或涂有氧化钌的钛为阳极，以石墨或镍网为阴极，在水煤浆加入适量的氮硫掺杂剂后通电进行电解；反应结束后，将得到的混合物高速离心分离，过滤离心分离得到的上清液，得到的滤液装入截留分子量为3500Da的透析袋中，透析3天，每间隔12h换一次水，将透析袋内的溶液通过减压蒸馏进行浓缩，然后通过冷冻干燥即可获得固体的氮硫共掺杂碳量子点。


2.根据权利要求1所述的氮硫共掺杂碳量子点的制备方法，其特征在于，所述的水煤浆的制备原料为煤和含氯离子的水溶液，所述的水煤浆是通过将煤碎为煤粉，然后均匀分散在含氯离子的水溶液中。


3.根据权利要求2所述的氮硫共掺杂碳量子点的制备方法，其特征在于，所述的含氯离子的水溶液...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜维佳，王玉高，薄纯辉，卫艳丽，申峻，董川，
申请(专利权)人：山西大学，太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西;14