一步合成高产量氮掺杂石墨烯量子点

骆 毅，韦 赓，李 明

（桂林理工大学理学院，广西桂林 541004）

一步合成高产量氮掺杂石墨烯量子点

骆 毅，韦 赓，李 明

（桂林理工大学理学院，广西桂林 541004）

由于在氮掺杂石墨烯量子点的制备过程中，常常因为引入其他杂质元素、产量低等原因，限制了氮掺杂石墨烯量子点的进一步研究。提供了一种简单、一步合成高产量的氮掺杂石墨烯量子点的制备方法，对拓宽氮掺杂石墨烯量子点的应用上起到一定的推进作用。

石墨烯量子点；氮掺杂；高产量

石墨烯量子点（GQDs）是仅有几个纳米的零维碳基材料[1]，对比于传统无机量子点材料，GQDs在光致发光，环境友好，在水溶液中的相容性等方面表现出卓越的性能。在另一方面，因GQDs的表面官能基的适应性和纳米级别的尺寸，便于其表面改性和量子效应的表现[2]，在多个领域比如离子检测[3]，光伏器件[4]，等有着广阔的应用前景。

由于目前尚缺乏一种对GQDs进行有效的能级结构调整的技术手段，导致其在光电子领域取得广泛的应用受到限制。最近为了能改变石墨烯量子点的应用瓶颈，掺杂石墨烯量子点这一想法被提出。

近年来，掺杂改性，比如Cl-[5]，S-[6]GQDs，使得GQDs表现出全新的性能逐渐进入研究者的视野并引起了极大的研究兴趣。相对于碳原子，氮原子具有五个价电子，和碳原子有着相当的原子尺寸大小已经被广泛应用于碳材料的化学掺杂，如氮掺杂碳纳米管（N-CNT）等。相较于目前其他制备方法，本文介绍的方法采用水热法进行N-GQDs，在加快反应速度的同时，保证了氮与GQDs以C==N共价键的形式结合。首先将2g前驱物芘与80mL发烟硝酸混合后，在80℃下回流搅拌，将芘晶粒表面进行硝基功能化处理，取出反应物后过滤除酸后加入适量的氨水调节pH值，采用300W超声波分散处理后转移至聚四氟乙烯罐中，在180℃下水热反应10h，待自然冷却后取出反应物过滤透析后在70℃下干燥得到N-GQDs。

在图1（a）中，可以清楚的看到N-GQDs的晶粒大小集中在2～4nm。从图1（b）中看到N-GQDs的晶格间距为0.209nm，与石墨烯的衍射平面（102）一致。

为了分析N-GQDs的元素组成，XPS能谱如图2展示。在图2a中，可以清楚的在～284eV、～400eV、～533eV处看到N-GQDs的C 1s、N 1s、O 1s峰。我们对N 1s峰进行细分，发现N-GQDs中N 1s由吡啶氮、吡咯氮和石墨氮构成，进一步证明了氮元素成功掺进石墨烯量子点中，并不是晶体物理吸附或者包覆于GQDs上。

图1 （a）和（b）分别是N-GQDs的透射电子显微镜（TEM）图片和高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图片

图2 a和b分别是N-GQDs的XPS全谱和N1s窄谱

介绍了一种简便安全、一步合成高产量氮掺杂石墨烯量子点的方法，通过XPS能谱分析，氮原子成功以共价键的形式掺进GQDs。该N-GQDs将在生物成像、生物传感、太阳能电池等领域有着巨大的应用前景。

[1] Novoselov.K.S，Geim.A.K，Morozov.S.V，eta. 2004，306，666-669.

[2] Wang. Y.F，Hu.A.G，J.Mater.Chem.C，2014，2，6921-6939.

[3] Zhang.Y.L，Wang.L，Zhang.H.C，etal. RSC Adv.2013，3，3733-3738.

[4] Guo.C.X，Yang.H.B，Sheng.Z.M，etal. Angew.Chem.Int.Edit.，2010，49，3014-3017.

[5] Li.X.M，Lau.S.P，Tang.L.B，etal. J.Mater.Chem.C，2013，1，7308-7313.

[6] Li.S.H，Li.Y.C，Cao.J，etal. Anal.Chem.，2014，86，10201-10207.

One Step Synthesis of High Yield Nitrogen Doped Graphene Quantum Dots

Luo Yi，Wei Geng，Li Ming

Due to the introduction of other impurity elements and low yields in the preparation of N-doped graphene quantum dots，the further study of nitrogen doped graphene quantum dots is limited.In this paper，we provide a simple，one-step synthesis method for the production of high nitrogen doped graphene quantum dots.

graphene quantum dots；nitrogen doping；high yield

O613.71

A

1003-6490（2017）02-0044-01

2017-02-01

2016年自治区级大学生创新创业训练计划项目（编号∶201610596239），桂林理工大学研究生创新项目（编号∶SS201609）。

骆毅（1991—），男，湖北武汉人，主要研究方向为掺杂改性石墨烯量子点。