基于水热合成和梯度分离法探究碳量子点的发光机理

发布时间：2017-04-19 19:06

  本文关键词：基于水热合成和梯度分离法探究碳量子点的发光机理，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：碳量子点(Carbon quantum dots,简称CQDs)是碳纳米材料中冉冉升起的璀璨新星。良好的生物相容性、小尺寸效应等优势的存在让碳量子点在光催化、元素检测等方面,尤其是生物成像方面具有很好的应用潜力。因而不断优化合成途径,获得光学性质优良的碳量子点,进而使之在医学等方面大放异彩、造福人类,是众多科研工作者的共同愿望。合成途径的优化需要以发光原理为指导进行,但是目前关于碳量子点发射荧光的机理并没有定论。这首先与碳量子点的多样性有关,不同途径合成出的碳量子点在结构和光学性质上都有差异,因而在发光机理上也很难有一个统一的解释。所以通常会将碳量子点进行分类,研究某一类、或者只研究某一种碳量子点的发光机理。本课题选择以柠檬酸和乙二胺作为前驱物,采用水热合成的方法制备得到碳量子点,然后在此基础上分别通过调节合成方案和梯度分离的方法探究影响该方法所合成碳量子点发光的因素,并通过数据分析最终总结其发光机理。具体工作如下：第一,在原有水热合成反应的基础上,分别调节合成反应中的以下几个因素：所使用碳源的结构、碳源和氮源中-COOH/-NH2比,以及碳化反应的时间长度。将上述不同合成方案中所合成产品进行表征分析后发现前：碳源的羧基含量、羟基含量以及双键存在与否,反应物中氨基的相对含量,碳化反应时间长度等因素都对产物碳量子点的光学性质产生影响,另外还尝试将碳量子点置于不同的pH环境中,发现酸和碱的环境都会降低其量子产率。综合分析这些信息,说明官能团含量、碳化程度以及官能团存在形式都是碳量子点发射荧光的影响因素,同时也可能是决定因素。第二,通过将水热反应制备出的碳量子点进行有效分离,得到量子产率不同的组分,然后对各组分进行尺寸、结构、形态和光学性质分析,发现量子产率最高的组分发射蓝色荧光,其表面官能团含量最多,同时电镜下样品衬度很低甚至尚未形成碳量子点形态；而量子产率越低的组分,同样发射蓝色荧光,但是表面官能团数量减少,电镜下样品衬度提高。说明该碳量子点发射的蓝色荧光主要由表面分子态贡献,随着碳化程度的提高,表面官能团数量减少,因而影响荧光性能,同时核心结构趋向于碳化成为石墨态的碳,对蓝色光有吸收的作用,两者共同作用下改变了碳量子点的量子产率。在分离碳量子点的过程中,借助了梯度离心的手段,并在探索过程中建立了一种新的离心体系,我们称之为“亲水性梯度”离心体系。该离心体系所用梯度介质是含水量不同的乙醇／水溶液,而被离心物质则需要进行预处理,即：将在水中难以沉降的碳量子点先进行预团聚,形成适宜的团聚体后施以离心力,使之在不同含水量的乙醇水梯度介质中边沉降边解团聚,直至沉降到离心管底部时恰好实现团聚体的完全解团聚。通过对分离后组分的分析和验证实验的证实,认为团聚体实现解团聚的依据是碳量子点表面亲水性基团含量不同所导致的亲水性差异,从而将碳量子点按照亲水性不同分离开来。通过以上实验探索最终总结出本课题中所研究的以柠檬酸和乙二胺为前驱物水热法合成的碳量子点的发光机理,认为其荧光主要是表面分子态在紫外光的激发下发射出蓝色荧光,核心结构碳化成石墨态之后对紫外光有吸收作用,二者共同影响碳量子点的光学性质,与颗粒大小没有必然关系。
【关键词】：碳量子点 水热合成 表面官能团 亲水性 梯度离心 发光机理
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O613.71;TB383.1
【目录】：

• 摘要4-7
• abstract7-17
• 符号说明17-18
• 第一章 绪论18-36
• 1.1 碳量子点的发现18-19
• 1.2 碳量子点的合成19-26
• 1.2.1 自上而下法19-23
• 1.2.2 自下而上法23-26
• 1.3 碳量子点的分离26-28
• 1.4 碳量子点的发光机理28-30
• 1.5 碳量子点的应用30-35
• 1.6 本课题研究内容及意义35-36
• 第二章 基于水热合成法研究影响碳量子点发光的因素36-48
• 2.1 引言36
• 2.2 实验部分36-40
• 2.2.1 实验试剂36-37
• 2.2.2 实验仪器37
• 2.2.3 用不同结构碳源水热合成碳量子点37-38
• 2.2.4 相同碳源不同量氮源合成碳量子点38
• 2.2.5 不同反应时间合成碳量子点38
• 2.2.6 碳量子点在不同pH下的发光38-39
• 2.2.7 表征方法及量子产率计算方法39-40
• 2.3 结果与讨论40-47
• 2.3.1 碳源结构对碳量子点发光的影响40-42
• 2.3.2 不同羧胺比对碳量子点发光的影响42-43
• 2.3.3 不同反应时间对碳量子点发光的影响43-45
• 2.3.4 pH对碳量子点发光的影响45-47
• 2.4 本章小结47-48
• 第三章 梯度离心法分离碳量子点48-74
• 3.1 引言48
• 3.2 实验部分48-53
• 3.2.1 实验试剂48-49
• 3.2.2 实验仪器49-50
• 3.2.3 样品制备50
• 3.2.4 离心介质探寻50
• 3.2.5 样品处理方法50-51
• 3.2.6 离心条件探究51-52
• 3.2.7 表征方法52-53
• 3.3 结果与讨论53-73
• 3.3.1 分离前样品形态及光谱分析53-55
• 3.3.2 梯度离心介质选择55-57
• 3.3.3 样品处理方案确立57-60
• 3.3.4 梯度离心体系建立60-66
• 3.3.5 梯度离心分离后各组分光学性能、形态及结构分析66-73
• 3.4 本章小结73-74
• 第四章 “亲水性梯度”离心分离机理74-84
• 4.1 引言74
• 4.2 实验部分74-76
• 4.2.1 实验试剂74-75
• 4.2.2 实验仪器75
• 4.2.3 放大实验验证离心机理75-76
• 4.2.4 表征方法76
• 4.3 结果与讨论76-82
• 4.3.1 离心机理模型建立76-79
• 4.3.2 离心机理验证79-82
• 4.4 本章小结82-84
• 第五章 结论84-86
• 参考文献86-94
• 研究成果及发表的学术论文94-96
• 致谢96-98
• 作者和导师简介98-100
• 附件100-101

【共引文献】

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本文编号：316915