碳量子点及其复合物的制备、发光性能与应用研究

发布时间：2020-05-31 03:56

【摘要】：富勒烯、碳纳米管和石墨稀等碳基纳米材料在材料科学、生命科学和光电子学等领域已经取得很大的进展,研究者们为了进一步拓展碳基纳米材料应用范围,逐渐地将碳基材料应于发光领域。作为一种新型的碳纳米材料,碳量子点(简称碳点)不仅具有类似于传统量子点的发光性能与小尺寸特性,而且还具有发光波长可调、水溶性好和生物毒性低的优势,使其在发光二极管、生物成像、传感器、光催化等领域受到广泛的关注。因此,开发波长可调,发光效率高,及合成方法简单的碳点显得尤为重要。除了研究能够以液态形式应用于生物成像方面的碳点具有重要意义以外,基于碳点的固态发光具有其更加广泛的应用前景因而这也同样值得关注,然而目前对此类研究则相对较少。对此,本文报道了几类新型碳点的合成方法同时研究其发光性能,并将其中具有代表性的碳点用来研究其固态发光性能,得到了基于碳点的新型固态发光材料。具体的研究内容和结果如下:1.采用乙二胺作为氮源,柠檬酸作为碳源,用一步水热法成功制备出了水溶性好,荧光性能优异的碳点。通过荧光发射光谱、紫外吸收光谱、红外吸收光谱和透射电镜等表征讨论了不同合成温度和反应时间对碳点荧光性能的影响。实验结果显示所合成的碳点平均粒径为4.8 nm,在365 nm激发下发射峰位置在450 nm,量子效率接近80%,具有激发波长独立的荧光特性;研究表明-OH,-COOH和-NH2基团有利于分子间的脱水与碳化并促进碳量子点的形成,同时这些亲水基团有利于增强碳点的水溶性和提高碳点量子效率。2.分别使用邻苯二胺、间苯二胺和对苯二胺作为氮源,用柠檬酸作为碳源,乙醇作为溶剂,采用溶剂热法成功制备了蓝、绿、红三种颜色的碳点。并探讨了不同温度、反应时间和pH值对碳点的荧光性能的影响。实验结果显示所合成的红绿蓝三色碳点发射峰位置分别为445 nm,535 nm和615 nm。其中所合成的红色碳点量子效率高达25.3%,且其遇酸碱具有可逆性变色的特性和荧光发射强度具有pH值依赖特性。利用碳点溶液颜色具有可逆性变化这一独特的性质,本文将其制作成简便的定性酸碱酸碱指示剂;利用碳点荧光发射强度与pH值的关系,可以将其制作成用于定量测定溶液pH值的pH计。3.以BaSO4和Al(OH)3作为基质,利用静电组装作用成功的制备出了同时具有绿色室温磷光和基于碳点发光的蓝、绿色荧光的复合材料,进一步实现了碳点的固态发光。实验结果表明所合成蓝色发射碳点的发射峰为450 nm,其复合材料(BaSO4@CQDs)在365 nm激发下的室温磷光发射峰为520 nm,平均寿命为251 ms。所合成的绿色碳点发射峰在505 nm,利用尿素(UG)包覆碳点得到的复合物(UG-CQDs)荧光粉的发射峰为510 nm;为了进一步提高固态碳点发光材料的稳定性,用Al(OH)3对UG-CQDs进行包覆得到Al(OH)3@UG-CQDs,该复合材料荧光发射峰为503 nm。在365 nm激发下UG-CQDs和Al(OH)3@UG-CQDs室温磷光发射峰均为510 nm,平均室温磷光寿命分别为808和300 ms。研究表明,所得到的室温磷光碳点基复合材料具有优良的抗酸碱溶液性能和优异的热稳定性能,最后成功的将所得碳点基复合材料应用于防伪印章,所制得的固态发光碳点在信息存储和白光LED领域具有潜在应用。
【图文】：

碳纳米颗粒,碳核,合成原料,两条路线

荧光碳纳米颗粒被命名为碳量子点是在２００６年，Ｓｕｎ等［９］懫用一种通过表面钝化逡逑的来增强荧光发射的方法来制备碳点。逡逑碳点是以碳为主要材料的纳米颗粒，Ｃ、Ｈ、Ｏ和Ｎ四种元素是其化学成分逡逑的主要构成元素。碳点的结构一般认为主要由两部分组成，一部分是其核心称之逡逑为碳核，主要是以ｓｐ２杂化的碳原子构成；另一部分是由其表面的多种功能基团逡逑组成，一般表面具有羟基、羧基等亲水基团的碳点具有较好的水溶性，称之为水逡逑溶性碳点，其尺寸通常在１０邋ｎｍ左右［１（）］。逡逑１．３碳点的合成方法逡逑碳点的合成方法正逐步的朝着操作简便，合成条件易达，合成原料和过程绿逡逑色无污染等方向发展。碳点的合成主要分为两大类：自上而下（ｔｏｐ－ｄｏｗｎ）［１）’邋１Ｍ２］逡逑和自下而上（ｂｏｔｔｏｍ－ｕｐ）邋［７＋１３＿１５］两条路线。近年来，碳点合成方法的进展如图逡逑１．１邋所示［１６］。逡逑

光谱图,激光消融,光谱图,法制

黑［１３］，活性炭［１９］，氧化石墨烯［２（）］等来得到碳点。逡逑Ｘｕ等［ｓ］人将电弧放电得到的炭黑分别用硝酸和氢氧化钠进行处理后第一次逡逑发现了荧光碳点。如图１．２所示，，将处理后得到的悬浮液进行提取后，并利用凝逡逑胶电泳获得了荧光碳点该碳点在３６６邋ｎｍ激发下分别发蓝绿、黄和橙色光的。逡逑这种制备荧光碳点的方法有着严重的缺陷一产率过于低，提纯程序过于繁琐，收逡逑集碳点困难。逡逑Ｆｒａｃｔｉｏｎ：邋１逦２３４５６７８９逡逑ｖ＇．逦？逦：二：，）丨逡逑，琴逦ｎ＾Ｂｐ邋■逡逑ｃ邋ｃｃ邋ｃ：Ｊｃ邋ｃＥｃｃ逡逑ｉｔｊ邋ｔｎ邋ｏｏ邋ｕｎ邋Ｉ逦ｃｎ邋ｒ＾？逡逑一邋ｏ邋卜邋0邋｜邋ｏｉ邋寸卜邋Ｏ＇邋一逡逑３００邋４００邋５００邋６００邋７００邋８００邋９００逡逑Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ邋（ｎｍ）逡逑图１．２电弧切割法制备的碳点的光谱图和对应的图片［ｓ］逡逑Ｓｉｍ等［９］开创了利用激光消融法制备碳点。在水蒸气中并把氩气作为载体气逡逑体，利用激光消融碳材料获得的纳米尺寸的聚合物颗粒，但是这些碳点的荧光发逡逑３逡逑
【学位授予单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O613.71;TB383.1;TB33

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