本發(fā)明涉及一種鉀摻雜石墨烯量子點的制備方法，鉀元素的摻入，改變了石墨烯量子點的能級結構，有效地增強了它的光學性能及電學性能。本發(fā)明中采用的原料為常規(guī)的糖和氫氧化鉀，反應所需裝置簡便，成本低廉，反應過程高效、安全、環(huán)保。

背景技術：

石墨烯量子點（gqds）具有優(yōu)異的光電特性、化學穩(wěn)定性、生物相容性及自旋性質，由于它在三個維度上的尺寸都小于10nm，因此量子限域效應、邊緣效應都比較顯著。大量研究表明石墨烯量子點在生物成像、微電子、功能材料、化學傳感、儲能及太陽電池等領域都具有廣闊的應用前景。

目前，由于受到帶隙為零的限制，石墨烯量子點尚未在電子器件、光電子器件及太陽電池等領域得到廣泛發(fā)展。元素摻雜作為一種有效的技術手段，可以對石墨烯量子點的能級結構進行調制，通過摻入異質元素，向石墨烯量子點中引入新的能級，以此對其能級結構進行調制，進而改變石墨烯量子點的光學、電學及光電性質，實現(xiàn)材料性能的優(yōu)化。目前，制備石墨烯量子點的方法有多種，本發(fā)明采用的水熱合成技術能使石墨烯量子點的合成與摻雜一步完成，且具備批量生產(chǎn)、技術環(huán)保、成本低廉、工藝簡單、易于實施等優(yōu)點。

在名稱為“一種氮摻雜石墨烯量子點的化學制備方法”（專利申請?zhí)枮?01410376809.4）的中國專利中，利用氧化石墨作為碳源，甘氨酸作為氮源在高溫退火條件下制得氮摻雜石墨烯量子點。在名稱為“一種氧、氯共摻雜石墨烯量子點的制備方法”（專利申請?zhí)枮?01310312836.0）的中國發(fā)明專利中，在水熱反應條件下，用糖作為碳源和氧摻雜源，用鹽酸作為氯摻雜源制得氧、氯共摻雜石墨烯量子點。本發(fā)明的技術與之不同，本發(fā)明的技術涉及向石墨烯量子點中引入摻雜元素鉀，即以糖和氫氧化鉀作為反應物，在水熱條件下生成鉀摻雜石墨烯量子點。本發(fā)明通過鉀元素的摻雜在石墨烯量子點中引入了新的能級結構，增加了電子的躍遷形式，使得石墨烯量子點的光學和電學性質得到了有效調制。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明實現(xiàn)了鉀元素摻雜石墨烯量子點的簡便制備，由于不同元素的摻入對石墨烯量子點能級結構調制結果各異，因此得到的光電性能也各不相同，這對其在光電、能源、電子、催化等領域的應用有著重要意義。本發(fā)明中的一種鉀摻雜石墨烯量子點的水熱合成制備方法，以常規(guī)反應物糖和氫氧化鉀為原料，去離子水為溶劑，在一定溫度下通過水熱反應制備得到水溶性鉀摻雜石墨烯量子點。

本發(fā)明的鉀摻雜石墨烯量子點的水熱合成制備方法，其特征在于該方法是通過以下的步驟實現(xiàn)的：第一步，取適量糖和氫氧化鉀，加去離子水攪拌使其充分溶解；第二步，將第一步所得溶液轉移至水熱反應釜中，恒溫反應數(shù)小時；第三步，反應結束后，對反應液進行透析純化，即可得到鉀摻雜石墨烯量子點的水溶液。

其中，第一步所述的糖可以是果糖、葡萄糖或蔗糖中的任意一種，糖用量為0.5克，氫氧化鉀0.15克，去離子水40毫升。

其中，第二步將配好的溶液轉移至反應釜中，將反應釜置于170℃的烘箱中反應，時間為4小時。

其中，第三步取出反應液用透析袋透析純化，透析時間為10～20分鐘。

鉀摻雜石墨烯量子點有效增加了石墨烯的電子躍遷能級，未摻雜的石墨烯量子點電子能級的躍遷僅在sp²碳的π和π^*間躍遷，發(fā)光波長位于深紫外和藍光波段。通過往石墨烯量子點中摻入鉀，就會在sp²碳的π和π^*能級間引入鉀能級，使得電子躍遷模式變得多樣化，這有利于材料在生物成像、光電子器件、光子器件等領域的應用。

本發(fā)明具有以下的優(yōu)點：（1）制備工藝簡單、成本低廉：本發(fā)明制備的鉀摻雜石墨烯量子點原料普通、廉價，設備簡單、操作易行，合成與摻雜一步完成；（2）制備過程環(huán)保、安全：本發(fā)明制備鉀摻雜石墨烯量子點所用的反應物無毒、安全，整個制備過程綠色環(huán)保；（3）產(chǎn)物尺寸分布均勻：本發(fā)明制備的鉀摻雜石墨烯量子點的平均粒徑為3.4nm，且尺寸分布范圍??；（4）產(chǎn)物水溶性好：由于本發(fā)明制備的鉀摻雜石墨烯量子點表面有羥基等官能團的存在，因此易溶于水；（5）產(chǎn)物具有熒光特性：本發(fā)明制備的鉀摻雜石墨烯量子點，在紫外光照射下發(fā)熒光，可拓展它在生物成像、熒光標記、光催化、太陽電池等領域的應用；（6）易于規(guī)模化生產(chǎn)：本發(fā)明制備鉀摻雜石墨烯量子點的方法，反應原料常規(guī)，制備工藝簡單，可進行規(guī)?；可a(chǎn)。

附圖說明

圖1是鉀摻雜石墨烯量子點透射電鏡圖。

圖2是鉀摻雜石墨烯量子點溶液的光致發(fā)光譜。

圖3是鉀摻雜石墨烯量子點x光電子能譜圖。

圖4是鉀摻雜石墨烯量子點拉曼光譜圖。

具體實施方式

實施例1：稱取0.5克蔗糖，0.15克氫氧化鉀，加入40毫升去離子水使反應物充分溶解，混合均勻。將反應液轉移至水熱釜，放到170℃的烘箱中加熱4小時。反應結束后，將溶液取出，用透析袋對樣品進行透析純化，時間為15分鐘，透析袋外環(huán)境為去離子水，最后收集得到鉀摻雜石墨烯量子點溶液，尺寸在2.4-4.8nm之間，平均尺寸為3.4nm。

技術特征：

技術總結
一種鉀摻雜石墨烯量子點的制備方法，屬于納米材料技術領域，具體涉及鉀摻雜石墨烯量子點的水熱制備技術。本發(fā)明的一種鉀摻雜石墨烯量子點的水熱制備方法，其特征在于糖與氫氧化鉀在水熱反應條件下生成水溶性鉀摻雜石墨烯量子點。本發(fā)明的技術涉及向石墨烯量子點中引入鉀元素來實現(xiàn)石墨烯量子點能級結構的調制，進而使得石墨烯量子點具有更優(yōu)異的光電性能。該制備方法通過一步即可完成量子點的制備與摻雜，且原料易得、設備簡單、可進行規(guī)模化生產(chǎn)，得到的量子點產(chǎn)物尺寸均勻，水溶性和分散性較好，在電子、光電子、太陽電池及化學傳感等領域有重要的應用價值。

技術研發(fā)人員：李學銘;唐利斌;錢福麗;楊培志;魯朝宇
受保護的技術使用者：云南師范大學
技術研發(fā)日：2016.01.27
技術公布日：2017.08.04