專利名稱：基于光催化氧化的氧化石墨烯量子點(diǎn)的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米材料氧化石墨烯量子點(diǎn)的制備方法，尤其是涉及一種基于光催化氧化的氧化石墨烯量子點(diǎn)的制備方法。
背景技術(shù)：
石墨烯，因其獨(dú)特的單原子層二維晶體結(jié)構(gòu)及優(yōu)異的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)等性能，在復(fù)合材料、儲(chǔ)能材料、太陽能電池、傳感器和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。石墨烯在生物領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括DNA分析，蛋白質(zhì)檢測(cè)，藥物輸送。作為生物應(yīng)用領(lǐng)域的一種新材料，石墨烯應(yīng)具有良好的水溶性和生物相容性，以及合適二維尺寸，以便其在生物體系中的輸運(yùn)。氧化石墨烯量子點(diǎn)，即表面含有大量含氧官能團(tuán)且二維尺寸小于IOOnm的石墨烯， 表面的含氧官能團(tuán)使其具有良好的水溶性和生物相容性。同時(shí)，由于量子效應(yīng)，表現(xiàn)出特異的光電子學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)，生物醫(yī)藥領(lǐng)域有更廣泛的應(yīng)用。文獻(xiàn)已報(bào)道出的有關(guān)氧化石墨烯量子點(diǎn)的方法包括化學(xué)方法和物理方法。Chen等人在《Carbon》(2009，47，3365-3380)雜志上發(fā)表了題為“Size-controlled synthesis of graphene oxide sheets on a large scale using chemical exfoliation(禾用Uf 錄Ij胃法大規(guī)模制備大小可控的氧化石墨烯)”研究論文，該文作者運(yùn)用Hummers方法，通過延長(zhǎng)氧化反應(yīng)時(shí)間和增加氧化劑用量，加大石墨氧化程度破壞其碳結(jié)構(gòu)，以制備氧化石墨烯量子點(diǎn)。該方法通過控制氧化時(shí)間和氧化劑用量，可制備出二維尺寸不同的氧化石墨烯量子點(diǎn)，但反應(yīng)歷時(shí)長(zhǎng)達(dá)20天，效率低下，對(duì)石墨烯的碳共軛結(jié)構(gòu)破環(huán)嚴(yán)重。物理方法包括超聲波破碎法和密度梯度離心法。Dai等人在《Nano Research)) (2008,1, 203-212)上發(fā)表了題為"Nano-Graphene Oxide for Cellular Imaging and Drug Delivery (納米級(jí)氧化石墨烯在細(xì)胞成像和藥物輸送領(lǐng)域的應(yīng)用)”的文章，該文作者首先利用超聲波將微米級(jí)大小的氧化石墨烯物理機(jī)械破碎為大小不等的碎片，再通過密度梯度離心法將二維尺寸不等的氧化石墨烯片逐級(jí)分離以制備出氧化石墨烯量子點(diǎn)。該方法效率低下且對(duì)設(shè)備要求高。因此，亟待尋求一種簡(jiǎn)單快速的氧化石墨烯量子點(diǎn)制備方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種簡(jiǎn)便快捷，體系簡(jiǎn)單，獲得產(chǎn)品大小均一的基于光催化氧化的氧化石墨烯量子點(diǎn)的制備方法。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)以應(yīng)用Hummers法合成的氧化石墨烯水溶液為起始物，利用Photo-Fenton反應(yīng)， 即以H2A為氧化劑，F(xiàn)e3+為催化劑，在紫外光輻射下制備氧化石墨烯量子點(diǎn)，具體包括以下步驟(1)將氧化石墨分散于去離子水中，在工作頻率為40kHz，功率為160W的超聲作用下分散lh，將氧化石墨分散剝離成單層，得到單層氧化石墨烯水溶液；(2)將單層氧化石墨烯水溶液、H2O2水溶液和!^3+的溶液按體積比為5 20 0 0. 5在室溫下混合攪拌得到混合溶液，用紫外燈對(duì)混合溶液進(jìn)行光催化氧化15min 10h， 即制備得到氧化石墨烯量子點(diǎn)。所述的單層氧化石墨烯水溶液的濃度為0. 01 lmg/mL。所述的H2A水溶液的濃度為10 500mM。所述的!^3+的溶液的濃度為1. OX 10_%。所述的!^3+的溶液為硫酸鐵溶液、氯化鐵溶液或硝酸鐵溶液。所述的單層氧化石墨烯水溶液、H2O2水溶液和濃度為!^3+的溶液體積比為 5 20 0. 01 0. 5。所述的紫外燈的功率為100 1000W。所述的紫外燈波長(zhǎng)范圍為200 400nm。本發(fā)明的反應(yīng)如下所示與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明制備方法簡(jiǎn)便快捷，體系簡(jiǎn)單，可制得大小均一的氧化石墨烯量子點(diǎn)，較之運(yùn)用Hummers法過氧化制備氧化石墨烯量子點(diǎn)，該方法反應(yīng)時(shí)間從歷時(shí)長(zhǎng)達(dá)20天縮短至幾小時(shí)甚至十幾分鐘，與效率低下的物理方法相比，產(chǎn)率近達(dá)100%。


圖1為氧化石墨烯的原子力顯微鏡圖片；圖2氧化石墨烯量子點(diǎn)的原子力顯微鏡圖片；圖3為氧化石墨烯量子點(diǎn)的透射電子顯微鏡圖片。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。實(shí)施例1以應(yīng)用Hummers法合成的氧化石墨烯水溶液為起始物，利用Photo-Fenton反應(yīng)， 即以H2A為氧化劑，F(xiàn)e3+為催化劑，在紫外光輻射下制備氧化石墨烯量子點(diǎn)，具體包括以下步驟(1)將氧化石墨分散于去離子水中，在工作頻率為40kHz，功率為160W的超聲作用下分散lh，將氧化石墨分散剝離成單層，得到單層氧化石墨烯水溶液；(2)將濃度為0. 01mg/mL的單層氧化石墨烯水溶液、IOmM的H2A水溶液按體積比為5 20在室溫下混合攪拌得到混合溶液，用功率為100W，主波長(zhǎng)為365nm的紫外燈對(duì)混合溶液進(jìn)行光催化氧化10h，即制備得到氧化石墨烯量子點(diǎn)。實(shí)施例2以應(yīng)用Hummers法合成的氧化石墨烯水溶液為起始物，利用Photo-Fenton反應(yīng)，即以H2A為氧化劑，F(xiàn)e3+為催化劑，在紫外光輻射下制備氧化石墨烯量子點(diǎn)，具體包括以下步驟(1)將氧化石墨分散于去離子水中，在工作頻率為40kHz，功率為160W的超聲作用下分散lh，將氧化石墨分散剝離成單層，得到單層氧化石墨烯水溶液；(2)將濃度為0. lmg/mL的單層氧化石墨烯水溶液、IOOmM的H2A水溶液和 1.0X IO3M的硫酸鐵溶液按體積比為5 20 0.05在室溫下混合攪拌得到混合溶液，用功率為300W，主波長(zhǎng)為2Mnm的紫外燈對(duì)混合溶液進(jìn)行光催化氧化6h，即制備得到氧化石墨烯量子點(diǎn)。實(shí)施例3以應(yīng)用Hummers法合成的氧化石墨烯水溶液為起始物，利用Photo-Fenton反應(yīng)， 即以H2A為氧化劑，F(xiàn)e3+為催化劑，在紫外光輻射下制備氧化石墨烯量子點(diǎn)，具體包括以下步驟(1)將氧化石墨分散于去離子水中，在工作頻率為40kHz，功率為160W的超聲作用下分散lh，將氧化石墨分散剝離成單層，得到單層氧化石墨烯水溶液；(2)將濃度為0. 5mg/mL的單層氧化石墨烯水溶液、200mM的H2A水溶液和 1.0X IO3M的氯化鐵溶液按體積比為5 20 0.2在室溫下混合攪拌得到混合溶液，用功率為500W，主波長(zhǎng)為254nm的紫外燈對(duì)混合溶液進(jìn)行光催化氧化3h，即制備得到氧化石墨烯量子點(diǎn)。實(shí)施例4以應(yīng)用Hummers法合成的氧化石墨烯水溶液為起始物，利用Photo-Fenton反應(yīng)， 即以H2A為氧化劑，F(xiàn)e3+為催化劑，在紫外光輻射下制備氧化石墨烯量子點(diǎn)，具體包括以下步驟(1)將氧化石墨分散于去離子水中，在工作頻率為40kHz，功率為160W的超聲作用下分散lh，將氧化石墨分散剝離成單層，得到單層氧化石墨烯水溶液；(2)將濃度為lmg/mL的單層氧化石墨烯水溶液、500mM的H2A水溶液和1.0X IO^3M 的硝酸鐵溶液按體積比為5 20 0.5在室溫下混合攪拌得到混合溶液，用功率為1000W， 主波長(zhǎng)為365nm的紫外燈對(duì)混合溶液進(jìn)行光催化氧化15min，即制備得到氧化石墨烯量子點(diǎn)ο本實(shí)施例所述制備方法包括以下步驟在氧化石墨烯量子點(diǎn)的制備過程中，紫外光的強(qiáng)度(汞燈的功率)直接影響到產(chǎn)物的制備效率，當(dāng)汞燈的功率由500W增大到1000W時(shí)，氧化石墨烯量子點(diǎn)制備所需時(shí)間由池縮短到15min。光催化反應(yīng)時(shí)間與量子點(diǎn)的尺寸大小有關(guān)，延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，可制備出尺寸半徑較小的氧化石墨烯量子點(diǎn)。此外，氧化劑H2O2和催化劑!^3+的用量也影響量子點(diǎn)的制備速率。氧化石墨烯的原子力顯微鏡圖片和高度分布圖分別如圖1和圖2所示，氧化石墨烯量子點(diǎn)的透射電子顯微鏡圖片如圖3所示，對(duì)氧化石墨烯量子點(diǎn)的形貌及大小進(jìn)行了表征，結(jié)果表明對(duì)氧化石墨烯進(jìn)行光催化氧化，可制備出尺寸大小為30-40nm的氧化石墨烯量子點(diǎn)。實(shí)施例5以應(yīng)用Hummers法合成的氧化石墨烯水溶液為起始物，利用Photo-Fenton反應(yīng)，
5即以H2A為氧化劑，F(xiàn)e3+為催化劑，在紫外光輻射下制備氧化石墨烯量子點(diǎn)，具體包括以下步驟(1)將氧化石墨烯分散于去離子水中，在工作頻率為40kHz，功率為160W的超聲作用下分散lh，將氧化石墨烯分散剝離成單層，得到單層氧化石墨烯水溶液；(2)將濃度為0. 01mg/mL的單層氧化石墨烯水溶液、IOmM的H2A水溶液按體積比為5 20在室溫下混合攪拌得到混合溶液，用功率為1000W的汞燈和波長(zhǎng)為190nm的紫外光輻射裝置構(gòu)成的混合體系對(duì)混合溶液進(jìn)行光催化氧化30min，即制備得到氧化石墨烯量
點(diǎn)ο實(shí)施例6以應(yīng)用Hummers法合成的氧化石墨烯水溶液為起始物，利用Photo-Fenton反應(yīng)， 即以H2A為氧化劑，F(xiàn)e3+為催化劑，在紫外光輻射下制備氧化石墨烯量子點(diǎn)，具體包括以下步驟(1)將氧化石墨烯分散于去離子水中，在工作頻率為40kHz，功率為160W的超聲作用下分散lh，將氧化石墨烯分散剝離成單層，得到單層氧化石墨烯水溶液；(2)將濃度為0. 2mg/mL的單層氧化石墨烯水溶液、IOOmM的H2A水溶液和 1.0X IO3M的硫酸鐵溶液按體積比為5 20 0.01在室溫下混合攪拌得到混合溶液，用功率為200W的汞燈和波長(zhǎng)為300nm的紫外光輻射裝置構(gòu)成的混合體系對(duì)混合溶液進(jìn)行光催化氧化lh，即制備得到氧化石墨烯量子點(diǎn)。實(shí)施例7以應(yīng)用Hummers法合成的氧化石墨烯水溶液為起始物，利用Photo-Fenton反應(yīng)， 即以H2A為氧化劑，F(xiàn)e3+為催化劑，在紫外光輻射下制備氧化石墨烯量子點(diǎn)，具體包括以下步驟(1)將氧化石墨烯分散于去離子水中，在工作頻率為40kHz，功率為160W的超聲作用下分散lh，將氧化石墨烯分散剝離成單層，得到單層氧化石墨烯水溶液；(2)將濃度為0. 04mg/mL的單層氧化石墨烯水溶液、200mM的H2A水溶液和 1.0X IO3M的氯化鐵溶液按體積比為5 20 0.2在室溫下混合攪拌得到混合溶液，用功率為500W的汞燈和波長(zhǎng)為300nm的紫外光輻射裝置構(gòu)成的混合體系對(duì)混合溶液進(jìn)行光催化氧化2h，即制備得到氧化石墨烯量子點(diǎn)。實(shí)施例8以應(yīng)用Hummers法合成的氧化石墨烯水溶液為起始物，利用Photo-Fenton反應(yīng)， 即以H2A為氧化劑，F(xiàn)e3+為催化劑，在紫外光輻射下制備氧化石墨烯量子點(diǎn)，具體包括以下步驟(1)將氧化石墨烯分散于去離子水中，在工作頻率為40kHz，功率為160W的超聲作用下分散lh，將氧化石墨烯分散剝離成單層，得到單層氧化石墨烯水溶液；(2)將濃度為lmg/mL的單層氧化石墨烯水溶液、500mM的H2A水溶液和1.0X IO^3M 的硝酸鐵溶液按體積比為5 20 0.5在室溫下混合攪拌得到混合溶液，用功率為100W 的汞燈和波長(zhǎng)為400nm的紫外光輻射裝置構(gòu)成的混合體系對(duì)混合溶液進(jìn)行光催化氧化5h， 即制備得到氧化石墨烯量子點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.基于光催化氧化的氧化石墨烯量子點(diǎn)的制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟(1)將氧化石墨分散于去離子水中，在工作頻率為40kHz，功率為160W的超聲作用下分散lh，將氧化石墨分散剝離成單層，得到單層氧化石墨烯水溶液；(2)將單層氧化石墨烯水溶液、H2O2水溶液和!^3+的溶液按體積比為5 20 0 0.5 在室溫下混合攪拌得到混合溶液，用紫外燈對(duì)混合溶液進(jìn)行光催化氧化15min 10h，即制備得到氧化石墨烯量子點(diǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光催化氧化的氧化石墨烯量子點(diǎn)的制備方法，其特征在于，所述的單層氧化石墨烯水溶液的濃度為0. 01 lmg/mL。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光催化氧化的氧化石墨烯量子點(diǎn)的制備方法，其特征在于，所述的H2A水溶液的濃度為10 500mM。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光催化氧化的氧化石墨烯量子點(diǎn)的制備方法，其特征在于，所述的狗3+的溶液的濃度為1. OX 10_%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光催化氧化的氧化石墨烯量子點(diǎn)的制備方法，其特征在于，所述的i^e3+的溶液為硫酸鐵溶液、氯化鐵溶液或硝酸鐵溶液。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光催化氧化的氧化石墨烯量子點(diǎn)的制備方法，其特征在于，所述的單層氧化石墨烯水溶液、H2O2水溶液和濃度為1 3+的溶液體積比為 5 20 0. 01 0. 5。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光催化氧化的氧化石墨烯量子點(diǎn)的制備方法，其特征在于，所述的紫外燈的功率為100 1000W。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光催化氧化的氧化石墨烯量子點(diǎn)的制備方法，其特征在于，所述的紫外燈的波長(zhǎng)范圍為190 400nm。
全文摘要
本發(fā)明涉及基于光催化氧化的氧化石墨烯量子點(diǎn)的制備方法，將氧化石墨分散于去離子水中，在超聲作用下將氧化石墨剝離分散成單層，制成氧化石墨烯水溶液。在氧化石墨烯溶液加入氧化劑H2O2和催化劑Fe3+，室溫下攪拌的同時(shí)，用紫外光輻射混合體系制備氧化石墨烯量子點(diǎn)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)在于制備方法簡(jiǎn)便快捷，體系簡(jiǎn)單，可制得大小均一的氧化石墨烯量子點(diǎn)。
文檔編號(hào)C01B31/04GK102336404SQ20111020216
公開日2012年2月1日 申請(qǐng)日期2011年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月19日
發(fā)明者周雪皎, 郭守武 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)