碳点的可控合成、荧光机理及传感应用

发布时间：2020-05-05 18:56

【摘要】：碳点(CDs)在工业生产和生物医学领域都表现卓越,吸引了材料界越来越多的关注。因此,快速大规模合成高品质CDs以满足实际应用需求十分具有意义。另外,探索复杂多变的光致发光机制能够从理论上指导我们可控合成符合不同目的需求的CDs。荧光是碳量子点最迷人的特性,现已被广泛应用在了光学传感器和生物成像领域,相比较而言,CDs在电化学方面的应用还存在很大的开发利用空间。本论文中我们不仅对CDs的合成方法进行改进创新,而且对光致发光机理进行了深入探究,同时还将得到的CDs用于离子检测和荧光成像领域,更重要的是我们开拓了CDs在湿度传感领域的应用范围,已经取得的进展如下:(1)采用自主研发的固相微波法制备出高品质的氮掺杂碳点(N-CDs),具有良好的水溶性,光致发光表现出pH敏感和激发依赖性,荧光量子产率高达41.20%,在高离子强度和持续紫外光激发下也保持稳定。该N-CDs被用来特异性地检测Fe~(3+),同时用于细胞生物成像。固相微波法是快速获得高质量N-CDs的有效策略,有效简化了合成过程,节约了成本,避免了污染。(2)利用微波辐射获得三种不同能态发光的N-CDs,并系统研究了合成过程和光致发光机理之间存在的内在联系。低温下获得的有机小分子聚合物纳米点具有最高的量子效率最高,约为51.61%,提高反应温度得到中间产物碳纳米点,延长保温时间,最终生成具有稳定光学性能的典型的碳量子点,其光致发光中心来自通过有机荧光分子的聚合、脱水、碳化而获得的碳核。此外,分子态的N-CDs已被用于自来水中三价铁离子的检测以及动植物细胞荧光成像。我们的探索为可控合成出具有不同性质来迎合不同需求的CDs提供了理论实验基础。(3)采用简便易行的水热法得到CDs掺杂的MoS_2纳米片(CDs-MoS_2),有效解决了MoS_2湿敏元件灵敏度低和响应时间长的问题。我们提出了CDs-MoS_2湿敏响应的电荷转移机制,推断CDs的引入增加了MoS_2纳米片的比表面积和表面活性位点,从而增加了水分子的吸附量。化学吸附的水分子,CDs和MoS_2纳米片共同建立起三维导通网络,保证在低湿环境下电荷的连续传输。因此,基于CDs-MoS_2的湿度传感器响应性能和重复性得到了显著改善,在15?80%RH范围内显示出优异的线性响应。(4)利用微波法首次快速合成了CDs-MoO_3的复合物,并验证了CDs的掺杂极大地提升了MoO_3的湿度响应性能。我们还系统研究了反应前驱体硫脲和碳点的量对产物成分和性能的影响。结果表明,在一定范围内,湿度传感性能随加入CDs的量的增加而提升,其中性能最优的产物在相对湿度为70%时的响应和恢复时间分别为22和6 s,响应灵敏度高达约3400%。
【图文】：

碳纳米材料,顺序排列

又陆续都报道了一系列的碳纳米材料，，如零维的富勒烯，一维的碳纳米管，二维的石墨烯等（图1-1），碳纳米材料因为拥有优良的光、电、磁和机械性能，在光电材料、新能源、生物医用及复合材料等领域发挥着重要的作用[1-4]。图 1-1 各类不同结构的碳纳米材料按发现顺序排列[5]Figure 1-1 Structures of the different carbon nanmaterials in order of discovery1.1.1 碳点的起源碳点的发现要追溯到 2004 年，美国南卡罗来纳大学的 Scrivens 的课题组在分离纯化单壁碳纳米管的过程中偶然间发现了一种新型的碳纳米颗粒，经表征分

示意图,聚合物,量子点,石墨

（a）三种类型碳点的示意图：石墨烯量子点，碳纳米点和聚合物点[14]；（b物点向碳纳米点的演变[15]ure 1-2 (a) Schematic diagram of three types of fluorescent CDs: graphene quantumQDs), carbon nanodots (CNDs), and polymer dots (PDs); (b) evolution of the chemstructures of PDs to CNDs
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ127.11;TB383.1

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