一种针状焦基碳点及其水凝胶复合材料的制备方法和应用

本发明涉及纳米材料，更具体的说是涉及一种针状焦基碳点及其水凝胶复合材料的制备方法和应用。

背景技术：

1、碳点（carbon dots ,cds）是指尺寸小于10 nm的类球形碳纳米颗粒。与普通纳米材料相比，cds结构简单，一般由碳质核心和表面官能团组成。相较传统半导体量子点，cds不仅光学性能优良、化学稳定性好，而且具备细胞毒性低、生物相容性好、易于大规模合成及表面功能化修饰、制备成本低廉等优势。cds表面的可修饰性，使其具备羧基等丰富含氧官能团，有利于其作为修饰剂与其他材料进行功能化复合改性。cds因其具备的优异物理化学性质，已经被广泛应用于生物医学、药物运输、细胞成像等领域，而能源、催化方面的应用研究也愈发火热。

2、目前，无论是自上而下还是自下而上的制备方法，有关碳点的报道很多，比如自上而下的混酸氧化将石墨粉剥离成碳点，或是自下而上以柠檬酸为碳链，以乙二胺、邻苯二胺或尿素等为氮源制备得到碳点，但将碳点作为盐差发电材料中的修饰改性剂却鲜有报道。自下而上化学合成法尽管可以在一定程度上实现官能团的可控化制备，但合成材料原料相对较贵且合成的碳点导电性相对较差；而自上而下法的原料相对丰富，价格低廉，但通常使用的前驱体如煤或者石墨粉等杂质偏多，不利于碳点的后续纯化。

3、针状焦作为碳素材料中大力发展的一个优质品种，主要应用于石墨电极和锂电负极等材料领域，对针状焦进行简单处理后其导电性会变好，也有利于混酸剥离成碳点，并引入丰富的羧基官能团。

4、但是，目前没有报道将针状焦作为原材料来制备碳点。

5、因此，如何利用针状焦作为剥离成碳点的前驱体来制备碳点是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种针状焦基碳点及其水凝胶复合材料的制备方法和应用，以解决现有技术中的不足。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种针状焦基碳点的制备方法，具体包括以下步骤：将原始针状焦高温煅烧，溶于混酸中超声，在油浴锅中反应，酸碱中和，过滤，透析，冷冻干燥，即得针状焦基碳点。

4、进一步，上述高温煅烧的温度为800~1200℃，时间为2~4h，升温速率为5℃/min。更进一步，上述高温煅烧的温度为1000℃，时间为4h。

5、进一步，上述混酸由体积比为3:1的浓硫酸和浓硝酸混合制得；超声的时间为1h。

6、进一步，上述反应的温度为110℃，时间为12~24h。更进一步，上述反应的时间为24h。

7、进一步，上述酸碱中和的试剂为无水碳酸钠。

8、进一步，上述过滤的设备为孔径为0.22µm的滤膜。

9、进一步，上述透析的设备为截留分子量为1000da的透析袋；透析的时间为3~5天。更进一步，上述透析的时间为4天。

10、进一步，上述冷冻干燥的设备为冰箱和冻干机；干燥的时间为2~3天。更进一步，上述干燥的时间为3天。

11、一种水凝胶复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：将上述制备方法制得的针状焦基碳点和氧化石墨烯混合溶解后超声，在水热釜中反应，即得水凝胶复合材料。

12、进一步，上述针状焦基碳点和氧化石墨烯的质量比为15:100；超声的时间为3h；反应的温度为180℃，时间为12h。

13、本发明还请求保护一种上述制备方法制得的水凝胶复合材料在盐差发电中的应用。

14、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

15、1、本发明以退火处理后的针状焦作为剥离成碳点的前驱体原料，其一，前驱体的优异导电性剥离成碳点后一定程度仍可保留；其二，通过混酸剥离的方法实现了丰富氧官能团的引入。基于这两点得到的针状焦基碳点可以作为一种优异的盐差发电复合材料修饰剂。

16、2、本发明将所得针状焦基碳点与氧化石墨烯混合，水热自组装成负载针状焦基碳点的还原氧化石墨烯水凝胶用作复合电极应用于盐差发电，能够实现盐差发电平均功率密度的大幅提升，有效增强发电性能，其优势不仅有利于在盐差发电中进一步探索应用，而且针状焦基碳点的合成也对能源、电池、超级电容器、催化等其他领域的推广应用至关重要。

17、3、本发明制备原料成本低廉，制备方法简单，制备时间短，制得的针状焦基碳点氧官能团丰富、导电性好；且该针状焦基碳点能够实现与其他材料的有效复合组装，能够大幅提升盐差发电的平均功率密度，从而增强发电性能，这些优势使其有望大规模生产且进一步应用于各个领域。

技术特征：

1.一种针状焦基碳点的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：将原始针状焦高温煅烧，溶于混酸中超声，在油浴锅中反应，酸碱中和，过滤，透析，冷冻干燥，即得所述针状焦基碳点。

2.根据权利要求1所述的一种针状焦基碳点的制备方法，其特征在于，所述高温煅烧的温度为800~1200℃，时间为2~4h，升温速率为5℃/min。

3.根据权利要求1所述的一种针状焦基碳点的制备方法，其特征在于，所述混酸由体积比为3:1的浓硫酸和浓硝酸混合制得；所述超声的时间为1h。

4.根据权利要求1所述的一种针状焦基碳点的制备方法，其特征在于，所述反应的温度为110℃，时间为12~24h。

5.根据权利要求1所述的一种针状焦基碳点的制备方法，其特征在于，所述酸碱中和的试剂为无水碳酸钠；所述过滤的设备为孔径为0.22µm的滤膜。

6.根据权利要求1所述的一种针状焦基碳点的制备方法，其特征在于，所述透析的设备为截留分子量为1000da的透析袋；所述透析的时间为3~5天。

7.根据权利要求1所述的一种针状焦基碳点的制备方法，其特征在于，所述冷冻干燥的设备为冰箱和冻干机；所述干燥的时间为2~3天。

8.一种水凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：将如权利要求1所述制备方法制得的针状焦基碳点和氧化石墨烯混合溶解后超声，在水热釜中反应，即得所述水凝胶复合材料。

9.根据权利要求8所述的一种水凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，所述针状焦基碳点和氧化石墨烯的质量比为15:100；所述超声的时间为3h；所述反应的温度为180℃，时间为12h。

10.一种如权利要求8或9所述制备方法制得的水凝胶复合材料在盐差发电中的应用。

技术总结
本发明公开了一种针状焦基碳点的制备方法，具体包括以下步骤：将原始针状焦高温煅烧，溶于混酸中超声，在油浴锅中反应，酸碱中和，过滤，透析，冷冻干燥，即得。本发明还公开了一种水凝胶复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：将上述制备方法制得的针状焦基碳点和氧化石墨烯混合溶解后超声，在水热釜中反应，即得。本发明制备原料成本低廉，制备方法简单，制备时间短，制得的针状焦基碳点氧官能团丰富、导电性好；且该针状焦基碳点能够实现与其他材料的有效复合组装，能够大幅提升盐差发电的平均功率密度，从而增强发电性能，这些优势使其有望大规模生产且进一步应用于各个领域。

技术研发人员：詹菲,姜占昊,王士恺,芦宇霆,邱介山
受保护的技术使用者：北京化工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16