利用高能電子束輻照法制備氮摻雜石墨烯量子點(diǎn)的方法
【專利摘要】本發(fā)明利用高能電子束輻照法制備氮摻雜石墨烯量子點(diǎn)的方法，具體實(shí)施步驟為：將用濃硫酸和濃硝酸加熱回流處理碳纖維（CF），經(jīng)處理后得到純凈的普通石墨烯量子點(diǎn)（GQDs）水溶液；將GQDs水溶液與一定比例的氮，氮?二甲基甲酰胺（DMF）混合超聲，并鼓氮除氧密封；再將其送去進(jìn)行一定劑量的電子束輻照；最后經(jīng)去離子水透析處理得到純凈的氮摻雜并且在365納米紫外燈照射下發(fā)白色熒光的石墨烯量子點(diǎn)水溶液，冷凍干燥即可得到金黃色粉末的氮摻雜石墨烯量子點(diǎn)（N?GQDs）。本發(fā)明過程簡單，操作方便，可以連續(xù)開機(jī)輻照，因此可以進(jìn)行規(guī)模化生產(chǎn)。
【專利說明】
利用高能電子束輻照法制備氮摻雜石墨烯量子點(diǎn)的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及利用高能電子束輻照法制備氮摻雜石墨烯量子點(diǎn)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]自從2004年由Novoselov和Geim兩人通過機(jī)械剝離法從石墨中分離出了單層石墨烯以來，石墨烯由于其獨(dú)特的性質(zhì)引起了研究者們濃厚的興趣，并已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，獲得了大量的研究數(shù)據(jù)結(jié)果，并已經(jīng)產(chǎn)生許多應(yīng)用產(chǎn)業(yè)。在石墨烯納米材料片層中摻雜其它雜原子，能夠改變其電學(xué)，光學(xué)和化學(xué)反應(yīng)活性等。由于氮摻雜石墨烯納米材料具有特殊的光，電和化學(xué)性質(zhì)，它們已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于生物標(biāo)記，超級電容器，離子傳感器，電催化反應(yīng)和儲(chǔ)氫等領(lǐng)域。
[0003]制備氮摻雜石墨烯納米材料點(diǎn)的方法很多，例如(I)通過電化學(xué)方法，以四丁基銨高氯酸(TBAP)的乙腈溶液作為電解液，以化學(xué)還原氧化石墨烯并過濾后得到的石墨烯薄膜為工作電極，進(jìn)行循環(huán)電壓掃描，得到N/C比為4.3%的含氮石墨烯量子點(diǎn)；(2)通過化學(xué)氣相沉積法(CVD)，在氨水溶液中，以乙烯和氫氣作為氣源，在銅片上制備出吡啶氮摻雜的石墨稀量子點(diǎn)；(3)通過熱處理法，以一定升溫速率加熱有一定速率流過氨氣的氧化石墨稀，制備出氮摻雜氧化石墨烯；(4)利用超聲法，將熱還原后的石墨烯和水合肼加入去離子水后進(jìn)行加熱超聲，制備出氮摻雜的石墨烯。但是現(xiàn)階段大部分方法制備成本依然過高，環(huán)境不友好，工藝條件復(fù)雜也需要進(jìn)一步完善，離可規(guī)?；a(chǎn)尚有一定距離。高能電子束輻照法主要是利用高能電子束這一特殊媒介產(chǎn)生的電離輻射，使水分子自由基化，并產(chǎn)生大量水合電子，這些自由基和水合電子以及高能電子束能夠使少量有機(jī)溶劑氮，氮-二甲基甲酰胺(DMF)自由基化或離子化，以及使石墨烯納米材料片層產(chǎn)生缺陷，而這些自由基或水合電子則可能與石墨烯納米材料片層的缺陷位點(diǎn)處進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，最后可能會(huì)還原石墨烯納米材料片層上的一些官能團(tuán)，或產(chǎn)生一些新的官能團(tuán)，甚至直接部分改變了石墨烯納米材料片層大η環(huán)的結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生了與原石墨烯納米材料片層結(jié)構(gòu)有很大變化的新的石墨烯納米材料，也正因?yàn)槿绱?，所以其水溶液?60納米紫外燈照射下發(fā)出了與原淡黃色熒光截然不同的白色熒光，并且熒光量子產(chǎn)率也大大增加。目前工業(yè)中已經(jīng)廣泛應(yīng)用的高能量輻射主要是指高能電子束和γ射線。γ射線具有穿透性強(qiáng)，但是劑量率一般太小，時(shí)間成本太高，所以具有大劑量率的高能電子束在許多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。高能電子束這一特殊處理方法則具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)操作簡單易控制:通過電子束加速器操作臺可簡單操作電子束加速器是否需要產(chǎn)生高能電子束和多大劑量率以及輻照多長時(shí)間；(2)低成本:電子束加速器功率通常只有幾十千瓦，運(yùn)行費(fèi)用較普通化學(xué)工藝方法低；(3)環(huán)境友好:除在運(yùn)行過程中產(chǎn)生臭氧外，不產(chǎn)生任何有害環(huán)境的有毒污染物，對開機(jī)過程中產(chǎn)生的電子束福射有較好的屏蔽保護(hù)措施;(4)規(guī)?；僮魃a(chǎn):可以連續(xù)開機(jī)運(yùn)行規(guī)模化生產(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種利用高能電子束輻照法制備氮摻雜石墨烯量子點(diǎn)的方法。
[0005]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種利用高能電子束輻照法制備氮摻雜石墨烯量子點(diǎn)的方法，其特征在于該方法的具體步驟為:
a.將碳纖維浸沒在混酸中，室溫超聲I?2小時(shí)后，加熱回流18?36小時(shí)，所述的混酸為98%濃硫酸和63%濃硝酸按3:1的體積比混合而成;反應(yīng)結(jié)束冷卻至室溫后，將反應(yīng)液倒入5-10倍于混酸體積的去離子水中，再用截留分子量為3500的透析袋用去離子水透析5天，得到純凈的在365納米紫外燈照射下發(fā)淡黃色熒光的石墨烯量子點(diǎn)GQDs水溶液；
b.將步驟a所得GQDs溶液配制成濃度為0.5?Img/ml的GQDs溶液，將氮，氮-二甲基甲酰胺配制成體積百分比濃度5%?95%的氮，氮-二甲基甲酰胺水溶液;將該兩種溶液混合后室溫超聲10?30分鐘，倒入聚乙烯薄膜袋中，再鼓足氮?dú)庖耘懦龃罅靠諝?，最后迅速熱封?要求薄膜袋平鋪后水溶液厚度不可超過I厘米；
c.將步驟b中裝有溶液的聚乙烯薄膜袋平鋪置于電子加速器輻照所用傳送帶上，室溫下在束流強(qiáng)度為8毫安培的電子束下輻照280?560千戈瑞；
d.將步驟c中輻照后的溶液用截留分子量為1000的透析袋用去離子水透析5天，得到純凈的氮摻雜石墨烯量子點(diǎn)水溶液，冷凍干燥后即得到氮摻雜石墨烯量子點(diǎn)。
[0006]采用高能電子束輻照法在少量有機(jī)溶劑DMF存在下對普通的GQDs水溶液進(jìn)行處理，得到了摻雜有大量氮元素并且在360納米紫外燈照射下發(fā)白色熒光的良好水溶性的石墨烯量子點(diǎn)N-GQDs。本發(fā)明過程簡單，操作方便，環(huán)境友好，低成本，易控制，并且可以連續(xù)規(guī)模生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0007]圖1是本發(fā)明實(shí)施例一中樣品一的電鏡照片。
[0008]圖2是本發(fā)明實(shí)施例一中樣品二中電鏡照片。
【具體實(shí)施方式】
[0009]實(shí)施例一:
(I)將300毫克碳纖維(carbon fibers, CF)倒入混酸(60毫升98%濃硫酸和20毫升63%濃硝酸)中，室溫超聲2小時(shí)后在80攝氏度下加熱回流24小時(shí)。反應(yīng)結(jié)束冷卻至室溫后溶于200毫升去離子水中，再用截留分子量為3500的透析袋用去離子水透析5天，得到純凈的在365納米紫外燈照射下發(fā)淡黃色熒光的GQDs水溶液。
[0010](2)用a中的GQDs溶液，配制GQDs濃度為I毫克每毫升，并含N，N-二甲基甲酰胺(DMF)體積分?jǐn)?shù)為5%的水溶液，室溫超聲30分鐘后倒入潔凈的聚乙烯薄膜袋中，再鼓足氮?dú)庖耘懦龃罅靠諝?，最后迅速熱封袋。要求薄膜袋平鋪后水溶液厚度不可超過I厘米，盡可能更薄。
[0011](3)將b中裝有溶液的聚乙烯薄膜袋平鋪置于電子加速器輻照所用傳送帶上，室溫下在束流強(qiáng)度為8毫安培的電子束下輻照560千戈瑞。
[0012](4)將c中輻照后的水溶液用截留分子量為1000的透析袋用去離子水透析5天，得到純凈的氮摻雜石墨稀量子點(diǎn)(N-doped graphene quantum dots, N-GQDs)水溶液，冷凍干燥后即可獲得金黃色粉末的氮摻雜并且在365納米紫外燈照射下發(fā)白色熒光的石墨烯量子點(diǎn) N-GQDs。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種利用高能電子束輻照法制備氮摻雜石墨烯量子點(diǎn)的方法，其特征在于該方法的具體步驟為: a.將碳纖維浸沒在混酸中，室溫超聲I?2小時(shí)后，加熱回流18?36小時(shí)，所述的混酸為98%濃硫酸和63%濃硝酸按3:1的體積比混合而成;反應(yīng)結(jié)束冷卻至室溫后，將反應(yīng)液倒入5-10倍于混酸體積的去離子水中，再用截留分子量為3500的透析袋用去離子水透析5天，得到純凈的在365納米紫外燈照射下發(fā)淡黃色熒光的石墨烯量子點(diǎn)GQDs水溶液； b.將步驟a所得GQDs溶液配制成濃度為0.5?I mg/ml的GQDs溶液，將氮，氮-二甲基甲酰胺配制成體積百分比濃度5%?95%的氮，氮-二甲基甲酰胺水溶液;將該兩種溶液混合后室溫超聲10?30分鐘，倒入聚乙烯薄膜袋中，再鼓足氮?dú)庖耘懦龃罅靠諝猓詈笱杆贌岱獯?要求薄膜袋平鋪后水溶液厚度不可超過I厘米； c.將步驟b中裝有溶液的聚乙烯薄膜袋平鋪置于電子加速器輻照所用傳送帶上，室溫下在束流強(qiáng)度為8毫安培的電子束下輻照280?560千戈瑞； d.將步驟c中輻照后的溶液用截留分子量為1000的透析袋用去離子水透析5天，得到純凈的氮摻雜石墨烯量子點(diǎn)水溶液，冷凍干燥后即得到氮摻雜石墨烯量子點(diǎn)。
【文檔編號】C09K11/65GK105948021SQ201610254128
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年4月23日
【發(fā)明人】鄧小勇, 陳攀, 王玉莉, 酈成, 杭明光, 王佳俊, 徐姣姣, 常慶, 朱俊濤, 張苗苗
【申請人】上海大學(xué)