一種碳量子點、其制備方法及用途技術

本發明專利技術提供了一種碳量子點、其制備方法及用途，該碳量子點的制備方法包括如下步驟：(1)制備碳基材料分散液；(2)將鹵代醌溶液與碳基材料分散液混合，采用鹵代醌嫁接法制備碳基?鹵代醌復合材料分散液；(3)向碳基?鹵代醌復合材料分散液中加入H

【技術實現步驟摘要】
一種碳量子點、其制備方法及用途
本專利技術屬于催化納米材料
，尤其涉及一種碳量子點、其制備方法及用途。
技術介紹
碳量子點(CQDs)橫向尺寸在100納米以下，具有離散的電子帶，具有典型的半導體特性、光致發光性、超小的尺寸和無毒性，其用于傳感電極材料也顯示出廣闊的應用前景。CQDs的合成方法主要包括水熱法、電化學法、化學剝離碳纖維法、紫外刻蝕法、溶液化學法、超聲波和微波法等。然而，工藝繁瑣、摻雜條件復雜、反應條件嚴苛、時間消耗、低產率以及芳香碳骨架的損壞限制了其大規模制備及應用。因此，如何設計出一種簡單有效、經濟環保的碳量子點材料制備方法，具有十分重要的科研價值和工業意義。文獻(Photo-Fentonreactionofgrapheneoxide:AnewstrategytopreparegraphenequantumdotsforDNAcleavage.AcsNano6.8(2012):6592-6599)報道了一種利用芬頓法制備石墨烯量子點的方法，原理是芬頓反應產生的羥基自由基直接氧化GO，產生大量的GQDs。此法簡單方便，但是外加的鐵離子會使尺寸極小的石墨烯量子點分離極其困難；文獻(Molecularmechanismformetal-independentproductionofhydroxylradicalsbyhydrogenperoxideandhalogenatedquinones.PNAS104(2007):17575-17578)發現H2O2和氯酚的代謝產物四氯苯醌能通過不依賴于金屬離子的途徑產生羥基自由基，且氯代醌同時脫鹵解毒，反應成本低且能夠同時實現污染物降解，是一種較為理想的新型自由基產生方法。然而，迄今為止，國內外尚未有利用無金屬催化產自由基制備量子點的方法。
技術實現思路
針對現有技術存在的不足，本專利技術的目的在于提供一種碳量子點、其制備方法及用途，所述碳量子點的制備方法是無金屬依賴的高級氧化法，所述方法制備碳基量子點的成本低，反應條件溫和，無二次污染，且量子點分散性好易分離，能夠實現以污治污，在有機污染物降解、電化學傳感器、超級電容器、發光材料及光電器件等領域具有重大的應用價值。為達此目的，本專利技術采用以下技術方案：一種碳量子點的制備方法，所述制備方法包括如下步驟：(1)制備碳基材料分散液；(2)將鹵代醌溶液與碳基材料分散液混合，采用鹵代醌嫁接法制備碳基-鹵代醌復合材料分散液；(3)向碳基-鹵代醌復合材料分散液中加入H2O2溶液進行反應，得到反應產物；(4)將反應產物進行固液分離，所得濾液繼續反應，即得到碳量子點分散液。本專利技術提供的制備碳量子點的方法，其理論基礎是：鹵代苯醌在H2O2存在時可不依賴過渡金屬離子而產生羥基自由基，碳材料的碳骨架內本身帶有表面含氧基團和表面缺陷，羥基自由基進一步產生氧化作用將碳材料切割和氧化成尺寸在100nm以下的碳量子點。碳量子點可以進一步促進自由基的生成。步驟(1)所述碳基材料分散液的制備方法為：將碳基材料超聲分散于溶劑中。優選地，所述超聲的功率為50～200W，如60W、70W、80W、100W、120W、150W或180W等，優選為50～80W。優選地，所述超聲的時間為0.5～24h，如1h、2h、3h、5h、8h、10h、12h、15h、18h、20h或22h等，優選為1～5h。優選地，所述溶劑為水。優選地，步驟(1)所述碳基材料為氧化石墨、石墨烯、碳納米管、活性炭、碳纖維、碳黑、碳化后的天然有機物中的任意一種或至少兩種的組合。典型但非限制性的組合為：氧化石墨與石墨烯，碳納米管、活性炭與碳纖維，碳黑與碳化后的天然有機物，氧化石墨、石墨烯、碳納米管與活性炭，碳纖維、碳黑與碳化后的天然有機物等。優選地，步驟(1)所述碳基材料分散液中碳基材料的濃度為0.001～10mg/mL，如0.005mg/mL、0.01mg/mL、0.02mg/mL、0.05mg/mL、0.08mg/mL、0.1mg/mL、0.5mg/mL、1mg/mL、1.2mg/mL、2mg/mL、3mg/mL、5mg/mL、8mg/mL或9mg/mL等，優選為1～3mg/mL。步驟(2)所述鹵代醌嫁接法為將鹵代醌溶液與碳基材料混合后進行超聲。優選地，所述混合的方式為將鹵代醌溶液滴加到碳基材料分散液中。優選地，所述超聲的功率為50～200W，如60W、70W、75W、100W、120W、150W、180W或190W等，優選為50～80W。優選地，所述超聲的時間為0.5～48h，如1h、2h、5h、8h、10h、12h、15h、20h、25h、30h、35h、40h或45h等，優選為1～8h。優選地，步驟(2)所述鹵代醌溶液與碳基材料分散液混合后的pH為4～9，如4、5、6、7、8或9等，優選為6～8。步驟(2)所述鹵代醌溶液中的鹵代醌為一氯代醌、二氯苯醌、三氯苯醌、四氯苯醌、一溴代醌、二溴苯醌、三溴苯醌、四溴苯醌或四氟苯醌中的任意一種或至少兩種的組合，典型但非限制性的組合為：一氯代醌與二氯苯醌，一溴代醌與二溴苯醌，三氯苯醌、四氯苯醌與一溴代醌，二溴苯醌、三溴苯醌、四溴苯醌與四氟苯醌，二氯苯醌、三氯苯醌、四氯苯醌與一溴代醌等。優選地，步驟(2)所述鹵代醌溶液的溶劑為乙腈、乙醇、DMSO(二甲基亞砜)或DMF(二甲基甲酰胺)中的任意一種或至少兩種的組合，典型但非限制性的組合為乙腈與乙醇，DMSO與DMF，乙腈、乙醇與DMSO，乙腈、乙醇、DMSO與DMF等。優選地，步驟(2)所述鹵代醌溶液的質量濃度與碳基材料分散液的質量濃度之比為0.1～30，如0.5、0.8、1、2、3、5、8、10、12、15、20、25或28等，優選為1～3。優選地，步驟(2)所述鹵代醌溶液的溶劑與碳基-鹵代醌復合材料分散液的溶劑的體積比為1～50％，如2％、5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％或48％等，優選為2～10％。步驟(3)所述H2O2溶液的質量濃度與鹵代醌溶液的質量濃度之比為1～20，如2、5、8、10、12、15或18等，優選為5～10。優選地，步驟(3)所述H2O2溶液的濃度為0.1～100mM，如0.2mM、0.5mM、1.5mM、1mM、5mM、10mM、15mM、35mM、50mM、75mM或95mM等，優選為5～50mM，所述mM是指mmol/L。優選地，步驟(3)所述反應是在水浴攪拌條件下進行的。優選地，所述攪拌的速率為50～300r/min，如60r/min、70r/min、80r/min、90r/min、100r/min、120r/min、150r/min、180r/min、200r/min、220r/min、250r/min或280r/min等，優選為100r/min。優選地，所述水浴的溫度為15～35℃，如18℃、20℃、22℃、25℃、28℃、30℃、32℃或34℃等，優選為25℃。優選地，步驟(3)所述反應的溫度為20～80℃，如25℃、30℃、40℃、45℃、50℃、60℃、70℃或75℃等，優選為20～35℃。優選地，步驟(3)所述反應的時間為0.1～48h，如0.5h、1h、2h、3h、4h、8h、1本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種碳量子點的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括如下步驟：(1)制備碳基材料分散液；(2)將鹵代醌溶液與碳基材料分散液混合，采用鹵代醌嫁接法制備碳基?鹵代醌復合材料分散液；(3)向碳基?鹵代醌復合材料分散液中加入H

【技術特征摘要】
1.一種碳量子點的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括如下步驟：(1)制備碳基材料分散液；(2)將鹵代醌溶液與碳基材料分散液混合，采用鹵代醌嫁接法制備碳基-鹵代醌復合材料分散液；(3)向碳基-鹵代醌復合材料分散液中加入H2O2溶液進行反應，得到反應產物；(4)將反應產物進行固液分離，所得濾液繼續反應，即得到碳量子點分散液。2.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(1)所述碳基材料分散液的制備方法為：將碳基材料超聲分散于溶劑中；優選地，所述超聲的功率為50～200W，優選為50～80W；優選地，所述超聲的時間為0.5～24h，優選為1～5h；優選地，所述溶劑為水；優選地，步驟(1)所述碳基材料為氧化石墨、石墨烯、碳納米管、活性炭、碳纖維、碳黑、高溫碳化后的天然有機物中的任意一種或至少兩種的組合；優選地，步驟(1)所述碳基材料分散液中碳基材料的濃度為0.001～10mg/mL，優選為1～3mg/mL。3.根據權利要求1或2所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)所述鹵代醌嫁接法為將鹵代醌溶液與碳基材料混合后進行超聲；優選地，所述混合的方式為將鹵代醌溶液滴加到碳基材料分散液中；優選地，所述超聲的功率為50～200W，優選為50～80W；優選地，所述超聲的時間為0.5～48h，優選為1～8h。優選地，步驟(2)所述鹵代醌溶液與碳基材料分散液混合后的pH為4～9，優選為6～8。4.根據權利要求1-3之一所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)所述鹵代醌溶液中的鹵代醌為一氯代醌、二氯苯醌、三氯苯醌、四氯苯醌、一溴代醌、二溴苯醌、三溴苯醌、四溴苯醌或四氟苯醌中的任意一種或至少兩種的組合；優選地，步驟(2)所述鹵代醌溶液的溶劑為乙腈、乙醇、DMSO或DMF中的任意一種或至少兩種的組合；優選地，步驟(2)所述鹵代醌溶液的質量濃度與碳基材料分散液的質量濃度之比為0.1～30，優選為1～3；優選地，步驟(2)所述鹵代醌溶液的溶劑與碳基-鹵代醌復合材料分散液的溶劑的體積比為1～50％，優選為2～10％。5.根據權利要求1-4之一所述的制備方法，其特征在于，步驟(3)所述H2O2溶液的質量濃度與鹵代醌溶液的質量濃度之比為1～20，優選為5～10；優選地，步驟(3)所述H2O2溶液的濃度為0.1～100mM，優選為5～50mM；優選地，步驟(3)所述反應是在水浴攪拌條件下進行的；優選地，所述攪拌的速率為50～...

【專利技術屬性】
技術研發人員：趙赫，曹宏斌，張笛，
申請(專利權)人：中國科學院過程工程研究所，
類型：發明
國別省市：北京,11