碳量子点及其复合结构的制备与性能研究

发布时间：2020-09-11 12:24

　　碳量子点是具有良好分散性的球形荧光碳纳米材料。在广泛的可见光和近红外光范围内,碳量子点通过单光子和双光子吸收可实现强的荧光及上转换发射的转化,并且可以作为电子给体或受体产生光致电荷转移。因此,在生物检测,光伏器件以及催化领域有重要的应用价值。碳量子点的尺寸和形貌控制对其性能和应用非常重要。另外,单独的碳量子点作为光催化剂,催化效率比较低,这使得碳量子点复合催化剂成为一种趋势。而半导体催化剂二氧化钛,由于其价格低廉,化学稳定性高和对太阳光利用的可能性引人注目。纳米贵金属由于其等离子共振效应在可见光区表现出强烈的吸收,受到了广泛的关注。本论文中主要讨论碳量子点的合成及功能化、碳量子点与二氧化钛或银纳米粒子的复合光催化剂的制备和性能,另外探讨了其光催化机理。具体工作包括以下几部分:(1)以抗坏血酸为碳源,采用反相微乳液的方法合成荧光碳量子点。通过紫外-可见(UV-Vis)、红外(IR)和荧光(PL)测试了其光学性质。所制备的碳量子点具有激发波长依赖性,且表面含有很多含氧基团,如OH,C=O,C-O-C等,具有石墨碳结构。调整水和表面活性剂的摩尔比(w)可以获得不同粒径大小的碳量子点,分别为1.92 nm,2.86 nm,3.72 nm到4.94 nm。随着w的增大,碳量子点的粒径增加,粒径的分散性变大。十六胺修饰碳量子点可极大的提高荧光量子产率。激发波长为360 nm时,荧光量子产率可以达到47%。另外讨论了不同的表面活性剂和不同碳源的影响。(2)以乙二醇为碳源,利用水热反应釜法合成的碳量子点,粒径约3.5 nm。利用氨基和氯基对合成的碳量子点进行修饰,可使得碳量子点的含氧基团减少,红外谱图中出现C-N,C-Cl的伸缩振动。修饰后的碳量子点荧光强度增加,最佳激发峰和发射峰发生红移,并且吸收峰向可见光区移动。但是单一的碳量子点的催化降解能力比较低。基于此,设计复合光催化剂利用可见光降解有机染料。最后讨论了碳量子点光致发光机理和表面修饰增强碳量子点强度的机理。(3)利用水热法合成的碳量子点设计制备二氧化钛/碳量子点复合光催化剂。利用可见光催化降解染料亚甲基蓝。二氧化钛能够使碳量子点的荧光猝灭,复合光催化剂的吸收谱向可见光区移动。乙二胺修饰的碳量子点能够高效降解亚甲基蓝,解释该光催化剂具有高效活性的原因。水热法制备的二氧化钛颗粒粒径小,且以锐钛矿为主,同时含有少量的金红石结构,与碳量子点复合,降解能力更强。水热法原位合成的碳量子点和二氧化钛复合粒子的晶体结构主要为金红石型。CQDs与TiCl3的比为3:5制备的复合结构时催化降解能力最强。(4)利用乙二醇和水热法合成的碳量子点制备银纳米粒子以及银/碳量子点复合催化剂。采用机械方法制备的复合催化剂,Ag与CQDs以1比2进行复合时,催化效率最高。利用碳量子点表面的羟基基团的还原性还原银离子,原位合成CQDs/Ag,能够获得更加稳定的复合催化剂。碳量子点和乙二醇以4比1混合制备CQDs/Ag的催化能力高于单独的碳量子点还原制备的复合催化剂的催化能力,更高于机械复合制备的Ag/CQDs。银在可见光照射下由于表面等离子共振作用产生电子,这些电子在复合物界面形成肖特基缺陷促进催化降解的进行。将氯修饰的碳量子点与银纳米粒子复合,催化活性增强,能够降解难于降解的甲基橙。可见光照射12分钟后,50 m L,50 mg/L的甲基橙完全被降解。该复合物可以作为可见光下降解甲基橙的高效催化剂。
【学位单位】：中北大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TQ127.11

【引证文献】