高效荧光碳点合成及其功能复合材料研究

发布时间：2017-04-08 01:21

  本文关键词：高效荧光碳点合成及其功能复合材料研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：碳点是2004年被首次发现的一种新型荧光碳纳米材料,具有价廉、低毒、生物相容性好以及优异的光学性质等特点,近年来引起了研究者们的广泛关注。目前合成的碳点的荧光量子产率大多较低,且相关研究多关注其液态光学性质,因此探索简单高效的碳点制备方法及其固态光学性质的研究是当前的一个重点。此外,碳点具有良好的光致电荷转移特性,可用于光电敏化半导体材料和复合光催化剂设计,在能源和环境领域有着广阔的前景。但是目前,相关研究还处于初步阶段。因此,高效荧光碳点的合成及其功能复合材料的研究具有重要的意义。本论文中,我们从碳点制备及其复合材料两个角度出发,提出了一步水热法制备高效荧光水溶性碳点的合成方法；研究了其固态发光性质,初步探讨了碳点对半导体材料二氧化钛的光电增强作用；设计和制备了新型宽光谱碳点/溴氧化铋复合光催化剂,探讨了光催化增强机理。论文的主要研究内容如下：1.提出了简单高效的一步水热法制备高质量的水溶性碳点。以柠檬酸为碳源,硅烷偶联剂KH792为表面包覆剂,合成了硅烷功能化的荧光碳点。研究了碳点的形成过程,通过水解、聚合、碳化和包覆,碳点的制备和修饰同时进行,一步得到了高荧光量子产率的发光碳点。制备得到的碳点尺寸5nm左右,表面具有丰富的含氧功能基团,水溶性好,具有优异的荧光性能,荧光量子产率高达82%。研究了反应溶剂、碳源/硅烷比例、反应时间和温度对碳点光学性质的影响,通过优化反应条件发现,适量的硅烷可以对碳点起到有效地表面钝化和稳定作用。研究了激发波长、溶液浓度、pH值、分散溶剂以及金属离子对碳点发光的影响,制备得到的碳点具有很好的多溶剂溶解性,并且在水中任意可溶,在水、甲醇和乙醇中都能保持高效的发光和稳定性;在pH值5-10的范围内其荧光保持相对稳定,有利于碳点的生物应用；对大部分金属离子不敏感,Hg2+和Fe3+离子对碳点具有荧光淬灭作用；考察了碳点的时间稳定性,发现常温下保存三个月仍然稳定存在,荧光强度未出现明显下降。2.利用碳点表面丰富的功能基团,开展了碳点固态发光及敏化增强二氧化钛复合材料光电性能研究。开发了碳点/凝胶玻璃透明块体材料,通过共价键连接,保持了碳点自身结构,实现了均匀分散和高浓度掺杂,抑制了碳点的荧光淬灭,在固态下保持了荧光特性,表现出优异的紫外/红外屏蔽效应。发现碳点原液自聚块体具有良好的紫外、部分可见及红外光吸收,因此,基于碳点的自聚成膜、优良的光吸收和光致电荷转移特性,将碳点作为非金属绿色光敏化剂应用到敏化二氧化钛纳米棒光阳极。通过旋涂-加热过程,碳点水解缩聚,二者形成紧密的结合,对体系进行了形貌和光电性质研究,复合结构表现出更高的光电流,初步探讨了碳点在光电性能增强方面的作用机理,首先碳点拓宽了复合体系的光响应范围,提高了太阳光的利用率；其次,由于碳点良好的光致电荷转移特性和电子储备能力,有效地抑制了光生电子-空穴对的复合,延长了载流子寿命。3.设计和构建了新型碳点/溴氧化铋纳米复合材料光催化剂,研究了其紫外和可见光光催化性能,探讨了其光催化增强机理。基于碳点和溴氧化铋相反的电负性,通过简单的静电吸附和后续热处理实现二者的稳定结合。通过结构和形貌测试表征,证明碳点负载到了溴氧化铋片层上,形成了紧密的结合,并存在一定的相互作用。以罗丹明B为目标降解污染物进行了光催化实验,结果表明相对于单一的溴氧化铋,负载碳点之后复合材料的紫外和可见光光催化性能都得到了提升。研究了碳点负载量对光催化活性的影响,确定了最优负载量,并具有很好的循环稳定性。此外,我们探讨了碳点增强溴氧化铋光催化效率的机理,适量的碳点可以有效地拓展光响应范围,增加光吸收,提高太阳光的利用率；快速导出电子,抑制了光生-电子空穴对的复合；作为电子“蓄水池”,使电子很容易地在碳点和溴氧化铋之间传输,延长了载流子的寿命,从而有效地增强了紫外及可见光下溴氧化铋的光催化活性。
【关键词】：碳点 荧光 纳米复合材料 光电转换 光催化
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB34
【目录】：

• 缩略词对照表10-11
• 中文摘要11-13
• ABSTRACT13-16
• 第一章 绪论16-48
• 1.1 碳材料发展简介16-17
• 1.2 碳点概述17-18
• 1.3 碳点合成方法18-29
• 1.3.1 自上而下合成碳点19-22
• 1.3.2 自下而上合成碳点22-28
• 1.3.3 聚合物点合成方法28-29
• 1.4 碳点发光机理29-30
• 1.5 碳点基本性质30-32
• 1.5.1 光学特性30-32
• 1.5.2 生物相容性32
• 1.5.3 光电荷转移特性32
• 1.6 碳点的应用32-37
• 1.6.1 环境领域32-34
• 1.6.2 能源转换34-35
• 1.6.3 生物医药35-36
• 1.6.4 复合材料36-37
• 1.7 光催化简介37-38
• 1.8 选题依据及研究内容38-39
• 参考文献39-48
• 第二章 水热法合成高效发光硅烷功能化碳点48-70
• 2.1 引言48-49
• 2.2 实验部分49-51
• 2.2.1 实验试剂49
• 2.2.2 硅烷功能化碳点制备49-50
• 2.2.3 样品表征50
• 2.2.4 荧光量子产率计算50-51
• 2.3 实验结果与讨论51-63
• 2.3.1 碳点形成机理51-52
• 2.3.2 碳点合成条件优化52-54
• 2.3.3 碳点结构与形貌54-56
• 2.3.4 碳点成分分析56-57
• 2.3.5 碳点光学性质57-63
• 2.4 本章小结63-64
• 参考文献64-70
• 第三章 碳点/二氧化钛功能复合材料70-86
• 3.1 引言70-71
• 3.2 实验部分71-73
• 3.2.1 实验试剂71
• 3.2.2 样品制备71-72
• 3.2.3 样品表征72-73
• 3.3 结果与讨论73-81
• 3.3.1 碳点自聚与共聚73-74
• 3.3.2 碳点块体及凝胶玻璃结构74-75
• 3.3.3 碳点块体及凝胶玻璃光学性质75-77
• 3.3.4 碳点/TiO_2纳米棒复合材料结构与形貌77-79
• 3.3.5 碳点/TiO_2纳米棒复合材料光吸收性质79-80
• 3.3.6 碳点/TiO_2纳米棒复合材料光电转换性能80-81
• 3.3.7 碳点/TiO_2纳米棒复合材料敏化机理81
• 3.4 本章小结81-82
• 参考文献82-86
• 第四章 新型碳点膜氧化铋复合光催化材料86-104
• 4.1 引言86-87
• 4.2 实验部分87-89
• 4.2.1 实验试剂87
• 4.2.2 样品制备87-88
• 4.2.3 样品表征88
• 4.2.4 光催化测试88
• 4.2.5 电化学测试88-89
• 4.3 结果与讨论89-100
• 4.3.1 碳点/BiOBr结构与形貌89-93
• 4.3.2 碳点/BiOBr光学性质93-94
• 4.3.3 碳点/BiOBr光催化性能94-96
• 4.3.4 碳点增强BiOBr光催化性能机理研究96-100
• 4.4 本章小结100
• 参考文献100-104
• 第五章 总结与展望104-107
• 5.1 论文总结104-106
• 5.2 主要创新点106
• 5.3 有待进一步开展的工作106-107
• 致谢107-108
• 攻读博士学位期间公开发表的论文及奖励108-110
• 附件（文章）110-122
• 附件（表）122

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 ;Photocatalytic properties of BiOX(X=Cl,Br,and I)[J];Rare Metals;2008年03期

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本文编号：291778