电解掺氮一步法制备石油焦基碳量子点

摘要

本发明属于碳纳米材料科学领域，涉及一种电化学法制备石油焦基碳量子点及一步掺氮法。本发明的主要特征是创新性地选用碳含量高、灰分低且石墨层片发达的石油焦为碳源，通过电化学氧化方法，开发一种制备碳量子点的新技术方法。通过改变煅烧温度、电解液种类、电流密度可调控碳量子点的荧光性能。通过在电解液中加入掺氮剂可实现电化学法一步制备氮掺杂碳量子点，且以乙二胺作为电解掺氮剂尚属首例。同时，首次创造性地使用泡沫镍代替常规Pt电极，大幅提高电解效率、降低制备成本。石油焦原料量大价廉，整个工艺流程操作简单，易于大规模工业化生产碳量子点。所制碳量子点在光催化、生物成像和离子及大分子检测等领域具有广阔的应用前景。

主权项

一种石油焦基碳量子点，其特征在于：首次以石油焦为原料，利用电化学氧化法制得石油焦基碳量子点(CQDs)。在电解液中加入掺氮剂(乙二胺/氨水)可在电解的同时实现氮掺杂，一步制得石油焦基氮掺杂碳量子点(N‑CQDs)，其中，以乙二胺在电解过程中实施掺氮尚属首例，且对CQDs荧光性能的提升作用远优于氨水。并首次创造性地使用泡沫镍代替常规Pt电极，大幅提高电解效率、降低制备成本。其具体制备方法如下：(1)在60℃下，将石油沥青预热20min。称取预热石油沥青0.96～2.5g(石油沥青/(石油沥青+石油焦)为16～33wt％)，加入适量二氯甲烷，搅拌至沥青完全溶解，然后再称取石油焦5.0g，与石油沥青混合均匀，放入恒温水浴锅中，蒸去大部分溶剂，得到呈黑色糊状的电极片原料。(2)将该糊状物挤压成型，制得圆盘状电极片。将制得的电极片于氮气气氛下在管式电炉中500～1000℃煅烧2h。(3)将制得的电极片作为工作电极，Pt电极作为对电极，以100mL 0.1～0.5M NaOH溶液为电解液，于150～220mA·cm^‑2电流密度下电解8～144h，得到含有碳纳米颗粒的电解液。(4)将制得的电极片作为工作电极，泡沫镍作对电极，以100mL 0.3M NaOH溶液为电解液，0.2～1.0M乙二胺或氨水作为掺氮剂，于4.0V恒压条件下在电解杯中电解8h，得到含有氮掺杂碳纳米颗粒的电解液。(5)经0.22μm的微孔滤膜过滤除去电解液中的黑色颗粒物后，用盐酸溶液进行中和。将中和后的电解液用截留分子量为3500Da的透析袋透析72h，除盐纯化，最终得到含有CQDs的深棕色溶液。