超声∕紫外辐照复合法制备石墨烯量子点及性质研究

摘要

石墨烯量子点系10层以下且横向尺寸小于30nm的石墨烯。由于量子限域效应和边界效应，石墨烯量子点的内部电子被限制在纳米尺度三维空间内，导致其能隙不再为零，因而呈现出不同于大尺寸石墨烯的光学及电学性能，在电化学、物理、光电、生物医学等领域具有诱人的应用前景。因此，高质量石墨烯量子点的尺寸可控的高效制备吸引了国内外科学家的竞相研究。本论文旨在研发一种高效的石墨烯量子点制备新型工艺，从而制备尺寸均匀的高质量石墨烯量子点。
　　本研究首先借助改进的 Hummers法制备少层氧化石墨烯，并以该氧化石墨烯为原料，采用创新研发的紫外超声复合工艺成功制备了石墨烯量子点。研究了各工艺参数对石墨烯量子点质量优劣的影响规律，并对其尺寸、厚度、结构与形貌进行了表征。
　　一方面，改进的Hummers法和超声Hummers法制备的氧化石墨烯均展现出无序碳增多、有序碳减少的特点，证明了氧化石墨烯的存在。此外，改进 Hummers法中浓磷酸的存在抑制了氧化石墨烯中不可逆缺陷的产生，拉曼特征峰峰强比 ID/IG为0.86；超声Hummers法制备的氧化石墨烯结构上的含氧官能团、缺陷要比传统Hummers和改进Hummers法多，拉曼特征峰峰强比ID/IG为0.90，更适合后续用于制备石墨烯量子点。同时，超声Hummers法制备的氧化石墨烯表面形貌较为平整，二维尺寸为300~800nm，厚度在1~3层，达到后续用于制备石墨烯量子点的要求。
　　另一方面，以氧化石墨烯为原料，利用紫外线辐照法在重力场下制备石墨烯量子点时，石墨烯量子点的尺寸随着时间、紫外线强度的增加而逐渐减小。因此对紫外线功率、GO浓度、H2O2浓度、pH值、FeCl3浓度和反应时间等工艺参数进行优化，以期获得最佳工艺参数，并获得横向尺寸为13-17nm的石墨烯量子点。另外，研究在超声场下利用紫外线辐照法制备石墨烯量子点时，石墨烯量子点尺寸随着时间和超声功率的改变产生的变化趋势，获得最佳工艺参数，包括紫外线功率1000w、超声波功率1000w、GO浓度2.0mg/mL、H2O2浓度为2.0mol/L、pH值为3.4、FeCl3浓度2.0mmol/L和反应时间15min等，并制备横向尺寸为3-5nm的石墨烯量子点，同时，检测该优化实验条件下石墨烯量子点的质量产率为9.64wt％。
　　本论文不但创新研发了制备尺寸可控的石墨烯量子点的高效率超声∕紫外辐照复合新工艺，而且研究了超声波强度、H2O2、FeCl3、pH值等工艺参数对石墨烯量子点形貌和尺寸的影响规律，确立了制备石墨烯量子点的最佳参数工艺，对石墨烯量子点的大规模制备奠定了坚实的理论和实验基础。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 课题来源及研究的背景和意义

1.2 氧化石墨烯的研究进展

1.2.1 氧化石墨烯的结构及性质

1.2.2 氧化石墨烯的制备方法

1.2.3 氧化石墨烯的应用

1.3 石墨烯量子点的研究进展

1.3.1 石墨烯量子点的性质

1.3.2 石墨烯量子点的制备方法

1.3.3 石墨烯量子点的应用

1.4 选题的意义与主要研究内容

第2章 实验材料及实验方法

2.1 实验材料与设备仪器

2.2 材料结构及形貌的表征与分析

2.2.1 透射电子显微镜（TEM）分析

2.2.2 拉曼光谱（RS）分析

2.2.3 原子力扫描探针显微镜（AFM）分析

第3章 超声Hummers法制备氧化石墨烯及表征

3.1 引言

3.2 氧化石墨烯的制备

3.2.1 传统Hummers法

3.2.2 改进Hummers法

3.2.3 超声Hummers法

3.3 氧化石墨烯的表征分析

3.3.1 氧化石墨烯的结构分析

3.3.2 氧化石墨烯的形貌与尺寸分析

3.4 本章小结

第4章 超声∕紫外辐照复合法制备石墨烯量子点及表征

4.1 引言

4.2 Fenton技术

4.2.1 Fenton分类

4.2.2 Fenton机理

4.2.3 Fenton反应影响因素

4.3 石墨烯量子点的制备

4.3.1 重力场下石墨烯量子点的制备

4.3.2 超声场下石墨烯量子点的制备

4.4 石墨烯量子点的性质分析

4.5 本章小结

结论

参考文献

致谢