宁夏碱沟山脱灰无烟煤石墨烯量子点制备与谱学特征

作     者：唐跃刚 李瑞青 樊江涛 马鹏亮 王绍清 罗鹏 郭伟勇 TANG Yuegang;LI Ruiqing;FAN Jiangtao;MA Pengliang;WANG Shaoqing;LUO Peng;GUO Weiyong

作者机构：中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院北京100083 宁夏回族自治区煤田地质局宁夏银川750011 

出 版 物：《煤炭学报》 (Journal of China Coal Society)

年 卷 期：2022年第47卷第12期

页      面：4278-4289页

核心收录：

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0804[工学-仪器科学与技术] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0703[理学-化学] 

基　　金：宁夏回族自治区重点研发计划资助项目(2021BEG02015) 国家自然科学基金资助项目(41872175)。 

主　　题：无烟煤 煤基石墨烯量子点 一步化学氧化法 谱学特征 荧光 

摘      要：采用一步化学氧化法,以宁夏碱沟山无烟煤为碳源,探讨了脱灰无烟煤制备石墨烯量子点的可行性。利用X射线衍射分析、拉曼光谱、高分辨透射电镜、X射线光电子能谱和荧光光谱等谱学方法,表征了脱灰无烟煤以及产物石墨烯量子点的化学结构和化学组成。宁夏碱沟山无烟煤及其脱灰样品的碳质量分数较高,分别为94.19%和94.43%,H/C原子比非常低,分别为0.14和0.15。原煤的显微组分以镜质体为主,为81.4%。X射线衍射分析结果表明,脱灰无烟煤的芳香片层直径(L_(a))、堆砌高度(L_(c))及平均堆积层数(Nave)均较好,L_(a)达6.0 nm以上,L_(c)为2.02 nm,平均Nave超过6,具有较高的芳香度,fa为0.89。拉曼光谱分析显示,脱灰无烟煤多环芳香化合物的C—C震动强烈,I_(D)/I_(G)强度比为0.85,G-D峰位差为157.88 cm^(-1),利于石墨烯量子点的制备。研究发现,碱沟山无烟煤通过一步化学氧化法可以制备出尺寸均一、晶型良好、荧光性质稳定的石墨烯量子点,芳香簇尺寸整体较大(8~9 nm),最大直径为12 nm,尺寸在6~10 nm的芳香簇数量达92%;与前驱体煤样相比,脱矿煤样制备的煤基石墨烯量子点具有更小的缺陷度,ID/IG强度比为0.81,G-D峰位差为264.25 cm^(-1)。高分辨透射电镜下煤基石墨烯量子点芳香环排列比较规则,六边形晶体结构可见,具有较好的结晶度。X射线光电子能谱表征表明脱灰无烟煤和所制备的石墨烯量子点的含氧官能团较为单一,主要为C=O(531.3eV),C-O(532.4 eV)和COO—(533.8 eV)。荧光光谱显示煤基石墨烯量子点最大荧光强度处的荧光颜色为蓝色且强度相对较弱,荧光量子产率也比较低,为3.98%。通过与前人研究结果对比,GQDs-JGS的直径明显大于烟煤、褐煤和焦炭制备的石墨烯量子点,散落面积也比其他煤级煤制备的石墨烯量子点要大,GQDs-JGS的芳香环排列也比较规则,不存在部分烟煤基石墨烯量子点中的缺陷结构。GQDs-JGS石墨烯量子点在激发条件下呈蓝色荧光,由于尺寸较大以及量子点边缘的缺陷效应,GQDs-JGS最大强度处波长、荧发强度和荧光量子产率要低于其他无烟煤所制备的量子点。