一种氧化石墨炔纳米片复合光功能玻璃的制备方法

1.本发明涉及一种非线性光学玻璃。更具体地，涉及一种氧化石墨炔纳米片复合光功能玻璃的制备方法。


背景技术：

2.在过去几十年中，各种材料被广泛用于非线性光学领域。2d材料因其迷人的电子和光学特性，以及光伏和光电子学等有前途的应用，引起了人们的极大兴趣。例如，石墨烯因其许多独特的性质而闻名，它还显示出宽带光限幅特性，被认为是最有前途的光电子器件材料。然而，石墨烯的零带隙特性限制了它在某些领域的应用。氧化石墨炔是一种优秀的二维材料，是一种新型碳同素异形体石墨炔的氧化物，在保持石墨炔结构特性的同时引入含氧官能团。本质上有一个可调的直接带隙，它不同于石墨烯的零带隙。在1000 k以下，它也可以保持稳定。而且它在室温下的使用寿命非常长。其优异的稳定性对光子器件的可持续发展具有重要意义。它还具有较高的非线性折射率和较好的宽带克尔非线性。因此，氧化石墨炔是一种在非线性光学领域非常有前途的2d材料。
3.然而，氧化石墨炔纳米片在液相基质中易于团聚沉淀，不利于其的非线性光学应用，限制了其器件化发展进程。玻璃是一种透明的无定形无机非金属材料，具有成分均匀、纯度高，光学透明度高、化学和热稳定性好等特点，是构筑固相光学材料的良好基质。因此，将氧化石墨炔纳米片引入溶胶-凝胶玻璃基质中，利用凝胶玻璃体系的网络结构将纳米片固化定位，制备出氧化石墨炔纳米片分散均匀的复合光功能玻璃。为二维材料的实际应用奠定基础。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种氧化石墨炔纳米片复合光功能玻璃的制备方法，采用硅酸乙酯（teos）、3-氨基丙基三乙氧基硅烷（aptes） 和3-甘氨酰氧丙基三甲氧基硅烷（gptms）作为基体水解和缩合形成二氧化硅网络。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种氧化石墨炔纳米片复合光功能玻璃的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：（1）氧化石墨炔纳米片的引入：氧化石墨炔纳米片和n，n
′
二甲基甲酰胺超声混合均匀，获得氧化石墨炔纳米片在dmf中的分散液；（2）先驱液的配制：分别量取硅酸乙酯和乙醇置于干净烧杯中超声震荡，继而加入已经超声好的步骤（1）所得的分散液，再依次添加3-甘氨酰氧丙基三甲氧基硅烷、去离子水和3-氨基丙基三乙氧基硅烷使其混合均匀，得到先驱液；（3）氧化石墨炔纳米片复合光功能玻璃制备：将步骤（2）所得的先驱液中，持续超声处理，使反应物分散均匀并进行水解和缩合反应，将产物陈化和干燥即得到氧化石墨炔纳米片复合光功能玻璃。
6.进一步的，步骤（2）中，teos:gptms:aptes的摩尔比为(5~7):(1~4):(1~2)进一步的，先驱液硅烷（teos、gptms和aptes）:c2h6o:h2o的摩尔比为(1~2):4:4。
7.进一步的，所述步骤（1）中采用超声处理方式将化石墨炔纳米片和n，n
′
二甲基甲酰胺超声混合均匀。
8.进一步的，所述步骤（3）中超声处理的时间为：10~20min。
9.进一步的，所述步骤（3）中陈化处理为，将产物置于封闭环境中陈化30~40min。
10.进一步的，所述步骤（3）中干燥处理为：置于25℃的恒温条件下，静置自然干燥1.5~2.5周时间。
11.进一步的，所述氧化石墨炔纳米片复合光功能玻璃中氧化石墨炔纳米片的掺杂量为:0.4~1mg。
12.上述过程中主要的反应方程式如下：a、teos水解反应b、teos缩合反应b、teos缩合反应由上述制备方法制得的氧化石墨炔纳米片复合光功能玻璃，由氧化石墨炔纳米片和透明二氧化硅凝胶玻璃基质组成；所述氧化石墨炔纳米片均匀分散在透明玻璃基质中；所述氧化石墨炔纳米材料的微观结构为包含sp和sp2两种杂化态碳原子，羧基封端，由碳碳三键将苯环共轭连接而成的二维平面层状结构。光功能玻璃为黄色透明的凝胶玻璃片，其原料便宜，操作简单，生产成本低，同时具有较高的透明度，具有非线性饱和吸收特性，并且可以通过调节氧化石墨炔纳米片的掺杂浓度来改变玻璃的饱和吸收强度。因此其在非线性光学和饱和吸收领域有着重要应用；通过二氧化硅网络固定氧化石墨炔纳米片位置，可以避免发生团聚和相分离。
13.说明书附图图1为氧化石墨炔纳米片复合光功能玻璃的照片；图2为复合光功能玻璃断面的sem图；图3为复合光功能玻璃断面的eds能谱图；图4为氧化石墨炔纳米片不同掺杂浓度下复合光功能玻璃的z扫描图。
具体实施方式
14.为了使本发明所述的内容更加便于理解，以下实例将对本发明做进一步说明，但并非用以限制本发明的范围。
15.实施例1首先，按照先驱液硅烷（teos、gptms和aptes）:c2h6o:h2o的摩尔比为1:4:4和teos:gptms:aptes的摩尔比为7:2:1计算各组份实际用量。随后，按照所计算的量分别量取硅酸乙酯和乙醇置于干净烧杯中超声震荡，继而加入已经超声好的氧化石墨炔纳米片dmf分散液，使其混合均匀，然后将gptms、h2o和aptes依次添加到混合物中，通过持续超声以获得良好的分散性、更快的水解和缩合。然后将混合物等体积平分到塑料培养皿中，将其密封，等
待陈化和干燥。通过调节分散在dmf中的氧化石墨炔纳米片的数量来控制凝胶玻璃的透过率。一个表面光滑的浅棕色样品用于非线性光学性能测试，无需进一步处理。为了进行比较，还制备了sio2凝胶玻璃以显示其nlo优势。除dmf中不存在gdyo纳米片外，该程序与上述程序类似。
16.性能表征：图1显示了不同掺杂浓度下的氧化石墨炔纳米片复合光功能玻璃（掺杂量分别为0、0.4、0.6、0.8、1mg）。所有的玻璃都是透明的，没有裂缝或可见的沉淀物，显示出明显的均匀性。由图可见，透过玻璃能清楚的看到玻璃另一面的文字，说明掺杂氧化石墨炔纳米片后，凝胶玻璃依旧保持了优秀的光学透明度。随着掺杂浓度的升高，玻璃的颜色变得更深。
17.图2光功能玻璃新破裂部分的sem图像显示，二氧化硅网络致密， 氧化石墨炔纳米片完全被周围的基质包裹，无法用sem成像。
18.图3为了验证氧化石墨炔纳米片的加入，进行了eds能谱图测试，以确认c元素的存在。
19.图4所示，为了研究掺杂浓度对氧化石墨炔纳米片复合光功能玻璃非线性光学性能的影响，我们合成了一系列复合凝胶玻璃，并进行了z扫描。结果显示，样品的归一化透过率随着激光焦点附近功率密度的增加而增加，在oa曲线中呈现对称峰值，表明了gdyo光功能玻璃的强非线性sa。随着gdyo纳米片的掺入，其非线性饱和吸收强度增加。这表明通过改变gdyo的掺杂浓度，可从而调节氧化石墨炔纳米片复合光功能玻璃的非线性光学性能，为其在光学器件上的应用提供了更多可能性。
20.虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。


技术特征：
1.一种氧化石墨炔纳米片复合光功能玻璃的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：（1）氧化石墨炔纳米片的引入：氧化石墨炔纳米片和n，n
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二甲基甲酰胺超声混合均匀，获得氧化石墨炔纳米片在dmf中的分散液；（2）先驱液的配制：分别量取硅酸乙酯和乙醇置于干净烧杯中超声震荡，继而加入已经超声好的步骤（1）所得的分散液，再依次添加3-甘氨酰氧丙基三甲氧基硅烷、去离子水和3-氨基丙基三乙氧基硅烷使其混合均匀，得到先驱液；（3）氧化石墨炔纳米片复合光功能玻璃制备：将步骤（2）所得的先驱液中，持续超声处理，使反应物分散均匀并进行水解和缩合反应，将产物陈化和干燥即得到氧化石墨炔纳米片复合光功能玻璃。2.根据权利要求1所述的氧化石墨炔纳米片复合光功能玻璃的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，teos:gptms:aptes的摩尔比为(5~7):(1~4):(1~2) 。3.根据权利要求1所述的氧化石墨炔纳米片复合光功能玻璃的制备方法，其特征在于：先驱液硅烷（teos、gptms和aptes）:c2h6o:h2o的摩尔比为(1~2):4:4。4.根据权利要求1所述的氧化石墨炔纳米片复合光功能玻璃的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中采用超声处理方式将化石墨炔纳米片和n，n
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二甲基甲酰胺超声混合均匀。5.根据权利要求1所述的氧化石墨炔纳米片复合光功能玻璃的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中超声处理的时间为：10~20min。6.根据权利要求1所述的氧化石墨炔纳米片复合光功能玻璃的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中陈化处理为，将产物置于封闭环境中陈化30~40min。7.根据权利要求1所述的氧化石墨炔纳米片复合光功能玻璃的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中干燥处理为：置于25℃的恒温条件下，静置自然干燥1.5~2.5周时间。8.根据权利要求1所述的氧化石墨炔纳米片复合光功能玻璃的制备方法，其特征在于：所述氧化石墨炔纳米片复合光功能玻璃中氧化石墨炔纳米片的掺杂量为:0.4~1mg。

技术总结
本发明公开了一种氧化石墨炔纳米片复合光功能玻璃的制备方法，所述复合光功能玻璃由氧化石墨炔纳米片和透明玻璃基质组成；所述氧化石墨炔纳米片均匀分散在透明玻璃基质中；所述复合光功能玻璃为黄色透明的玻璃片，其在皮秒激光脉冲下呈现饱和吸收效应，并且随着氧化石墨炔纳米片的掺杂浓度增加，其非线性吸收系数变大，非线性饱和吸收效应变强。因此通过改变氧化石墨炔纳米片的掺杂浓度，可以调节该光功能玻璃的非线性光学特性，在调Q激光器等领域具有广阔的应用前景。域具有广阔的应用前景。域具有广阔的应用前景。


技术研发人员：郑婵 马雪婷 刘嘉良 余瑾会 李巍
受保护的技术使用者：福建工程学院
技术研发日：2022.03.31
技术公布日：2022/7/29