Claims (60)
1. Масштабируемый способ изготовления углеродных квантовых точек, имеющих желательные запрещенные зоны, причем вышеупомянутый способ включает:1. A scalable method for manufacturing carbon quantum dots having desired forbidden zones, the aforementioned method comprising:
воздействие окислителя на источник углерода при температуре реакции, причем в результате воздействия происходит образование углеродных квантовых точек; иthe effect of the oxidizing agent on the carbon source at the reaction temperature, and the formation of carbon quantum dots occurs as a result of the exposure; and
выбор желательного размера образующихся углеродных квантовых точек, где выбор происходит посредством, по меньшей мере, одного из следующих способов:the selection of the desired size of the formed carbon quantum dots, where the selection occurs through at least one of the following methods:
отделение образующихся углеродных квантовых точек желательного размера от других образующихся углеродных квантовых точек;separating the resulting carbon quantum dots of the desired size from other generated carbon quantum dots;
выбор температуры реакции, которая обеспечивает желательный размер образующихся углеродных квантовых точек; иthe choice of the reaction temperature, which provides the desired size of the formed carbon quantum dots; and
их сочетания.their combinations.
2. Способ по п. 1, в котором воздействие включает ультразвуковое воздействие на источник углерода в присутствии окислителя.2. The method of claim 1, wherein the exposure includes ultrasonic exposure to the carbon source in the presence of an oxidizing agent.
3. Способ по п. 1, в котором воздействие включает нагревание источника углерода в присутствии окислителя при температуре реакции.3. The method of claim 1, wherein the exposure comprises heating a carbon source in the presence of an oxidizing agent at a reaction temperature.
4. Способ по п. 3, в котором температура реакции составляет, по меньшей мере, приблизительно 100°C.4. The method of claim 3, wherein the reaction temperature is at least about 100 ° C.
5. Способ по п. 3, в котором температура реакции составляет от приблизительно 100°C до приблизительно 150°C.5. The method of claim 3, wherein the reaction temperature is from about 100 ° C to about 150 ° C.
6. Способ по п. 1, в котором источник углерода выбирается из группы, включающей уголь, кокс, графит, углеродные нанотрубки, активированный углерод, технический углерод, фуллерены и их сочетания.6. The method of claim 1, wherein the carbon source is selected from the group consisting of carbon, coke, graphite, carbon nanotubes, activated carbon, carbon black, fullerenes, and combinations thereof.
7. Способ по п. 1, в котором источник углерода включает уголь.7. The method of claim 1, wherein the carbon source comprises coal.
8. Способ по п. 7, в котором уголь выбирается из группы, которую составляют антрацит, битуминозный уголь, полубитуминозный уголь, метаморфизированный битуминозный уголь, асфальтены, асфальт, торф, лигнит, паровичный уголь, окаменевшая нефть и их сочетания.8. The method of claim 7, wherein the coal is selected from the group consisting of anthracite, bituminous coal, semi-bituminous coal, metamorphosed bituminous coal, asphaltenes, asphalt, peat, lignite, steam coal, petrified oil, and combinations thereof.
9. Способ по п. 1, в котором источник углерода включает антрацит.9. The method of claim 1, wherein the carbon source comprises anthracite.
10. Способ по п. 1, в котором источник углерода включает битуминозный уголь.10. The method according to p. 1, in which the carbon source includes bituminous coal.
11. Способ по п. 1, в котором окислитель включает кислоту.11. The method according to p. 1, in which the oxidizing agent comprises an acid.
12. Способ по п. 11, в котором кислота выбирается из группы, включающей серную у азотную кислоту, фосфорную кислоту, фосфорноватистую кислоту, дымящую серную кислоту, хлористоводородную кислоту, олеум, хлорсульфоновую кислоту и их сочетания.12. The method according to p. 11, in which the acid is selected from the group comprising sulfuric and nitric acid, phosphoric acid, hypophosphorous acid, fuming sulfuric acid, hydrochloric acid, oleum, chlorosulfonic acid, and combinations thereof.
13. Способ по п. 1, в котором окислитель представляет собой смесь серной кислоты и азотной кислоты.13. The method of claim 1, wherein the oxidizing agent is a mixture of sulfuric acid and nitric acid.
14. Способ по п. 1, в котором окислитель включает азотную кислоту.14. The method of claim 1, wherein the oxidizing agent comprises nitric acid.
15. Способ по п. 1, дополнительно включающий стадию очистки образующихся углеродных квантовых точек.15. The method according to p. 1, further comprising the step of cleaning the resulting carbon quantum dots.
16. Способ по п. 15, в котором очистка происходит перед стадией выбора желательного размера образующихся углеродных квантовых точек.16. The method according to p. 15, in which the cleaning occurs before the stage of selecting the desired size of the formed carbon quantum dots.
17. Способ по п. 15, в котором очистка выбирается из группы, включающей экстракцию, фильтрование, испарение, осаждение, диализ и их сочетания.17. The method according to p. 15, in which the purification is selected from the group including extraction, filtration, evaporation, precipitation, dialysis, and combinations thereof.
18. Способ по п. 15, в котором очистка включает экстракцию образующихся углеродных квантовых точек из реакционной смеси.18. The method of claim 15, wherein the purification comprises extracting the resulting carbon quantum dots from the reaction mixture.
19. Способ по п. 15, в котором очистка включает нейтрализацию раствора, включающего образующиеся углеродные квантовые точки, фильтрование раствора и диализ раствора.19. The method according to p. 15, in which the cleaning includes neutralizing the solution, including the resulting carbon quantum dots, filtering the solution and dialysis of the solution.
20. Способ по п. 1, дополнительно включающий стадию повышения квантового выхода углеродных квантовых точек.20. The method of claim 1, further comprising the step of increasing the quantum yield of carbon quantum dots.
21. Способ по п. 20, в котором повышение выхода происходит посредством осуществления гидротермической обработки углеродных квантовых точек, обработки углеродных квантовых точек одним или несколькими основаниями, обработки углеродных квантовых точек одним или несколькими гидроксидами, обработки углеродных квантовых точек одним или несколькими легирующими веществами, обработки углеродных квантовых точек одним или несколькими восстановителями, и их сочетаниями.21. The method according to p. 20, in which the increase in yield occurs by carrying out hydrothermal treatment of carbon quantum dots, processing carbon quantum dots with one or more bases, processing carbon quantum dots with one or more hydroxides, processing carbon quantum dots with one or more dopants, processing carbon quantum dots with one or more reducing agents, and their combinations.
22. Способ по п. 20, в котором повышение выхода происходит посредством гидротермической обработки углеродных квантовых точек.22. The method according to p. 20, in which the increase in output occurs through hydrothermal treatment of carbon quantum dots.
23. Способ по п. 20, в котором повышение выхода происходит посредством обработки углеродных квантовых точек одним или несколькими восстановителями.23. The method according to p. 20, in which the increase in output occurs by processing carbon quantum dots with one or more reducing agents.
24. Способ по п. 23, в котором восстановитель выбирают из группы, включающей гидразин, борогидрид натрия, тепло, свет, серу, сульфид натрия, гидросульфид натрия и их сочетания.24. The method of claim 23, wherein the reducing agent is selected from the group consisting of hydrazine, sodium borohydride, heat, light, sulfur, sodium sulfide, sodium hydrosulfide, and combinations thereof.
25. Способ по п. 1, в котором выбор включает выбор температуры реакции, которая обеспечивает желательный размер образующихся углеродных квантовых точек.25. The method of claim 1, wherein the selection includes selecting a reaction temperature that provides the desired size of the formed carbon quantum dots.
26. Способ по п. 25, в котором выбранная температура реакции представляет собой заданную температуру, которая остается постоянной в течение стадии воздействия.26. The method of claim 25, wherein the selected reaction temperature is a predetermined temperature that remains constant during the exposure step.
27. Способ по п. 25, в котором выбранная температура реакции составляет от приблизительно 25°C до приблизительно 200°C.27. The method according to p. 25, in which the selected reaction temperature is from about 25 ° C to about 200 ° C.
28. Способ по п. 25, в котором выбранная температура реакции составляет от приблизительно 50°C до приблизительно 150°C.28. The method according to p. 25, in which the selected reaction temperature is from about 50 ° C to about 150 ° C.
29. Способ по п. 25, в котором выбранная температура реакции составляет от приблизительно 100°C до приблизительно 150°C.29. The method of claim 25, wherein the selected reaction temperature is from about 100 ° C to about 150 ° C.
30. Способ по п. 25, в котором желательный размер углеродных квантовых точек уменьшается по мере того, как увеличивается выбранная температура реакции.30. The method of claim 25, wherein the desired size of the carbon quantum dots decreases as the selected reaction temperature increases.
31. Способ по п. 1, в котором выбор включает отделение образующихся углеродных квантовых точек желательного размера от других образующихся углеродных квантовых точек.31. The method according to p. 1, in which the selection includes separating the resulting carbon quantum dots of the desired size from other generated carbon quantum dots.
32. Способ по п. 31, в котором отделение включает фильтрование.32. The method according to p. 31, in which the Department includes filtering.
33. Способ по п. 32, в котором фильтрование выбирают из группы, включающей макрофильтрацию, микрофильтрацию, ультрафильтрацию, тангенциальную фильтрацию, тангенциальную ультрафильтрацию, мембранную фильтрация, диализ и их сочетания.33. The method of claim 32, wherein the filtering is selected from the group consisting of macrofiltration, microfiltration, ultrafiltration, tangential filtration, tangential ultrafiltration, membrane filtration, dialysis, and combinations thereof.
34. Способ по п. 32, в котором фильтрование происходит через пористую мембрану.34. The method according to p. 32, in which filtering occurs through a porous membrane.
35. Способ по п. 34, в котором пористая мембрана включает поры, размеры которых составляют от приблизительно 1 кДа до приблизительно 100 кДа.35. The method according to p. 34, in which the porous membrane includes pores whose sizes are from about 1 kDa to about 100 kDa.
36. Способ по п. 32, в котором фильтрация происходит последовательно через множество пористых мембран.36. The method according to p. 32, in which the filtration occurs sequentially through many porous membranes.
37. Способ по п. 36, в котором пористые мембраны имеют различные размеры пор.37. The method of claim 36, wherein the porous membranes have different pore sizes.
38. Способ по п. 1, в котором желательный размер углеродных квантовых точек включает интервал размеров.38. The method according to claim 1, in which the desired size of the carbon quantum dots includes a range of sizes.
39. Способ по п. 1, в котором желательный размер углеродных квантовых точек составляет от приблизительно 1 нм в диаметре до приблизительно 200 нм в диаметре.39. The method of claim 1, wherein the desired size of the carbon quantum dots is from about 1 nm in diameter to about 200 nm in diameter.
40. Способ по п. 1, в котором желательный размер углеродных квантовых точек составляет от приблизительно 1 нм в диаметре до приблизительно 100 нм в диаметре.40. The method of claim 1, wherein the desired size of the carbon quantum dots is from about 1 nm in diameter to about 100 nm in diameter.
41. Способ по п. 1, в котором желательный размер углеродных квантовых точек составляет от приблизительно 2 нм в диаметре до приблизительно 80 нм в диаметре.41. The method of claim 1, wherein the desired size of the carbon quantum dots is from about 2 nm in diameter to about 80 nm in diameter.
42. Способ по п. 1, в котором углеродные квантовые точки включают графеновые квантовые точки.42. The method of claim 1, wherein the carbon quantum dots include graphene quantum dots.
43. Способ по п. 1, в котором углеродные квантовые точки функционализированы множеством функциональных групп.43. The method of claim 1, wherein the carbon quantum dots are functionalized with a variety of functional groups.
44. Способ по п. 43, в котором функциональные группы выбирают из группы, включающей аморфный углерод, кислородные группы, карбонильные группы, карбоксильные группы, ароматические группы, алкановые группы, алкеновые группы, кетонные группы, сложные эфиры, амины, амиды и их сочетания.44. The method of claim 43, wherein the functional groups are selected from the group consisting of amorphous carbon, oxygen groups, carbonyl groups, carboxyl groups, aromatic groups, alkane groups, alkene groups, ketone groups, esters, amines, amides, and combinations thereof .
45. Способ по п. 1, в котором углеродные квантовые точки функционализированы на краях множеством функциональных групп.45. The method of claim 1, wherein the carbon quantum dots are functionalized at the edges with a variety of functional groups.
46. Способ по п. 1, в котором углеродные квантовые точки имеют единственный слой.46. The method of claim 1, wherein the carbon quantum dots have a single layer.
47. Способ по п. 1, в котором углеродные квантовые точки имеют множество слоев.47. The method of claim 1, wherein the carbon quantum dots have multiple layers.
48. Способ по п. 47, в котором углеродные квантовые точки имеют от приблизительно двух слоев до приблизительно четырех слоев.48. The method of claim 47, wherein the carbon quantum dots have from about two layers to about four layers.
49. Способ по п. 1, в котором углеродные квантовые точки имеют кристаллическую гексагональную структуру.49. The method of claim 1, wherein the carbon quantum dots have a crystalline hexagonal structure.
50. Способ по п. 1, в котором углеродные квантовые точки являются фотолюминесцентными.50. The method of claim 1, wherein the carbon quantum dots are photoluminescent.
51. Способ по п. 1, в котором углеродные квантовые точки имеют запрещенные зоны, которые составляют от приблизительно 0,5 эВ до приблизительно 3 эВ.51. The method of claim 1, wherein the carbon quantum dots have band gaps that are from about 0.5 eV to about 3 eV.
52. Способ по п. 1, в котором углеродные квантовые точки имеют запрещенные зоны, которые составляют от приблизительно 2 эВ до приблизительно 3 эВ.52. The method of claim 1, wherein the carbon quantum dots have forbidden bands that are from about 2 eV to about 3 eV.
53. Способ по п. 1, причем в данном способе углеродные квантовые точки образуются в больших количествах.53. The method according to p. 1, and in this method, carbon quantum dots are formed in large quantities.
54. Способ по п. 53, в котором большие количества составляют более чем приблизительно 1 кг углеродных квантовых точек.54. The method of claim 53, wherein the large amounts comprise more than about 1 kg of carbon quantum dots.
55. Способ по п. 53, в котором большие количества составляют от приблизительно 1 г углеродных квантовых точек до приблизительно 10 тонн углеродных квантовых точек.55. The method according to p. 53, in which large quantities are from about 1 g of carbon quantum dots to about 10 tons of carbon quantum dots.