碳点及其复合材料的制备与应用研究

发布时间：2020-06-01 03:06

【摘要】：碳点(CDs)是近几年发现的一种新型碳材料,具有优异的发光性质,引起了广泛的研究兴趣。相对于传统的半导体量子点和有机染料,碳点不仅保持了碳材料毒性小、生物相容性好等优点,而且还拥有发光范围可调、光稳定性好、无光闪烁、易于功能化、价廉、易大规模合成等无可比拟的优势。尽管碳点经过十几年的发展有了很大的进步,但仍有很多关键问题没有解决,主要有以下几个方面:(1)由于碳点合成原料和方法多种多样,对于碳点的发光机理尚没有明确的解释;(2)由于聚集诱导猝灭,固态下的碳点荧光较弱或几乎不发光,大大限制了碳点的实际应用。因此本论文以碳点为研究对象,围绕其合成、性质及应用展开以下工作:1.探索碳点的发光机理。依据共轭尺寸调控理论,通过控制前驱体脱水碳化过程实现对碳点发光的调节。国际上首次使用甘油作为溶剂,以柠檬酸和尿素作为前驱体,溶剂热合成绿荧光发射的碳点。水、甘油、N,N-二甲基甲酰胺(N,N-Dimethylformamide,DMF)作为溶剂使前驱体的脱水碳化程度依次增大,因此通过调节三种溶剂的混合比例可以直接影响所制备碳点的脱水碳化程度。碳化程度增大导致sp~2共轭域的尺寸增大,根据共轭尺寸调控理论,可以使本征态发光碳点荧光发射红移。全谱段多色荧光碳点的制备,提供一种调控碳点发光颜色的方法,对碳点发光机理的研究与发展有重要意义。2.实现碳点的固态发光。国际上首次使用硅酸钠作为分散基质,通过微波固化法使碳点分散在基质材料中,抑制聚集诱导荧光猝灭成功制备了全谱段多色碳点-硅酸钠复合荧光粉。将溶剂热制备的多色碳点与水玻璃混合均匀后,在微波作用下,水玻璃迅速脱水形成稳固的二氧化硅网络状结构。由于微波加热使固化时间大大缩短,水玻璃中的碳点原位固定在二氧化硅网络状结构中。此外,水玻璃中游离的钠离子可以对碳点形成金属阳离子钝化增强碳点的荧光量子效率。进一步,选择蓝色、绿色、红色荧光碳点同时与水玻璃混合,通过调节碳点的混合比例成功制备出不同色温的均一相的碳点-硅酸钠复合白光荧光粉。多色及白色碳点荧光粉的制备将推动碳点在固态照明和可见光通讯领域的应用与发展。3.探索碳点-硅酸钠复合荧光粉在固态照明器件及可见光通讯领域中的应用。荧光粉在固态照明领域具有重要的应用价值。在制备了多色及白色碳点-硅酸钠复合荧光粉后,我们进一步将其应用于固态照明领域,作为荧光粉转换发光二极管(Light-Emitting Diode,LED)的光转换层。使用发射波长为395 nm的芯片激发多色碳点荧光粉,实现从蓝到红的多色LED发光。使用发射波长为440 nm的芯片依次激发红色和绿色碳点荧光粉,制备出显色指数为82.4的双荧光粉转换层白光发光二极管(White-Light-Emitting Diode,WLED)。使用发射波长为375 nm的芯片激发碳点白光荧光粉,制备显色指数超过85的WLED。在可见光通讯领域,荧光粉同样是重要的组成部分。由于可见光通讯兼顾照明与通讯,通常要求作为光转换层的荧光材料具有快速的响应速度,即短的荧光寿命。本文中制备的碳点-硅酸钠复合白光荧光粉荧光寿命在8 ns左右,在可见光通讯领域有巨大的应用前景。使用405 nm激光二极管作为激发光源,首次实现基于碳点-硅酸钠复合白光荧光粉的可见光通信,其调制带宽可以达到75MHz,数据传输的速率高达224 Mbps。通过420nm滤光片阻挡过强的激发光,有效地避免了蓝光对人眼的伤害,实现了健康的照明。4.研究碳点聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol,PVA)复合材料的磷光性质、发光机理及应用。除了出色的荧光性质,碳点还具有磷光发射。我们报道了一种新型基于碳点的室温磷光复合材料,并提出一种温度控制磷光发射实现多重信息加密的方法。这种温度控制的磷光发光过程源于碳点中作为磷光猝灭剂的氧含量的减少以及热处理后碳点和PVA之间形成化学键抑制了分子振动和转动导致的能量耗散。这两个因素共同作用,使能量更容易从三重态以辐射跃迁的形式回到基态,从而产生磷光发射。在此基础上,我们利用碳点PVA复合材料实现了温度控制多重荧光/磷光加密技术,用于防伪和信息加密领域新型复合材料的设计和开发。
【图文】：

优点,环境友好,有机荧光材料,新型功能材料

固态发光[12-15]。碳点复合材料具有碳点本身独特的光学特性以易于大规模合成等特点，在此基础上与基体材料复合实现碳点示和照明领域具有十分重要的意义和价值。碳点以及基于碳点新型功能材料，一方面可以继承碳点毒性小、生物相容性好、光稳定性好、易于功能化、环境友好、成本低、易大规模合成面又可以结合其他的功能材料取长补短，增添不同的的性能。光材料相比，碳点具有可再生、成本低、环境友好等优点；与相比，碳点具有较低的毒性；与有机荧光材料相比，碳点具有5-20]。因此碳点及基于碳点的复合材料在生物成像[21-28]、荧光标疗[30]、传感[31-39]、光催化[40-46]、光电器件[47-52]、能源存储[53-很好的应用前景（图 1.1）。

HRTEM图像,插图,图像,微波法

通过微波法制备出荧光量子效率为 1醇和葡萄糖作为反应前驱体通过微波法光碳点[69]。的方法制备的碳点产率低，，荧光量子效的控制碳点的荧光特性，制备出高荧光均采用自下而上的合成方法。术（TEM）表征。TEM 是直接观察碳点的试和分析，可以观察碳点的形貌，统计以分析碳点的晶格晶系，并通过高分辨观呈现，进一步分析碳点的结构（图 1.2
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O613.71;TB383.1;TB33

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