基于水熱合成和梯度分離法探究碳量子點的發(fā)光機理.pdf

1、碳量子點(Carbon quantum dots，簡稱CQDs)是碳納米材料中冉冉升起的璀璨新星。良好的生物相容性、小尺寸效應等優(yōu)勢的存在讓碳量子點在光催化、元素檢測等方面，尤其是生物成像方面具有很好的應用潛力。因而不斷優(yōu)化合成途徑，獲得光學性質優(yōu)良的碳量子點，進而使之在醫(yī)學等方面大放異彩、造福人類，是眾多科研工作者的共同愿望。合成途徑的優(yōu)化需要以發(fā)光原理為指導進行，但是目前關于碳量子點發(fā)射熒光的機理并沒有定論。這首先與碳量子點的多樣性

2、有關，不同途徑合成出的碳量子點在結構和光學性質上都有差異，因而在發(fā)光機理上也很難有一個統(tǒng)一的解釋。所以通常會將碳量子點進行分類，研究某一類、或者只研究某一種碳量子點的發(fā)光機理。本課題選擇以檸檬酸和乙二胺作為前驅物，采用水熱合成的方法制備得到碳量子點，然后在此基礎上分別通過調節(jié)合成方案和梯度分離的方法探究影響該方法所合成碳量子點發(fā)光的因素，并通過數(shù)據(jù)分析最終總結其發(fā)光機理。具體工作如下:
　　第一，在原有水熱合成反應的基礎上，分別調

3、節(jié)合成反應中的以下幾個因素:所使用碳源的結構、碳源和氮源中-COOH/-NH2比，以及碳化反應的時間長度。將上述不同合成方案中所合成產(chǎn)品進行表征分析后發(fā)現(xiàn)前:碳源的羧基含量、羥基含量以及雙鍵存在與否，反應物中氨基的相對含量，碳化反應時間長度等因素都對產(chǎn)物碳量子點的光學性質產(chǎn)生影響，另外還嘗試將碳量子點置于不同的pH環(huán)境中，發(fā)現(xiàn)酸和堿的環(huán)境都會降低其量子產(chǎn)率。綜合分析這些信息，說明官能團含量、碳化程度以及官能團存在形式都是碳量子點發(fā)射熒光

4、的影響因素，同時也可能是決定因素。
　　第二，通過將水熱反應制備出的碳量子點進行有效分離，得到量子產(chǎn)率不同的組分，然后對各組分進行尺寸、結構、形態(tài)和光學性質分析，發(fā)現(xiàn)量子產(chǎn)率最高的組分發(fā)射藍色熒光，其表面官能團含量最多，同時電鏡下樣品襯度很低甚至尚未形成碳量子點形態(tài);而量子產(chǎn)率越低的組分，同樣發(fā)射藍色熒光，但是表面官能團數(shù)量減少，電鏡下樣品襯度提高。說明該碳量子點發(fā)射的藍色熒光主要由表面分子態(tài)貢獻，隨著碳化程度的提高，表面官能團數(shù)

5、量減少，因而影響熒光性能，同時核心結構趨向于碳化成為石墨態(tài)的碳，對藍色光有吸收的作用，兩者共同作用下改變了碳量子點的量子產(chǎn)率。
　　在分離碳量子點的過程中，借助了梯度離心的手段，并在探索過程中建立了一種新的離心體系，我們稱之為“親水性梯度”離心體系。該離心體系所用梯度介質是含水量不同的乙醇/水溶液，而被離心物質則需要進行預處理，即:將在水中難以沉降的碳量子點先進行預團聚，形成適宜的團聚體后施以離心力，使之在不同含水量的乙醇水梯度介

6、質中邊沉降邊解團聚，直至沉降到離心管底部時恰好實現(xiàn)團聚體的完全解團聚。通過對分離后組分的分析和驗證實驗的證實，認為團聚體實現(xiàn)解團聚的依據(jù)是碳量子點表面親水性基團含量不同所導致的親水性差異，從而將碳量子點按照親水性不同分離開來。
　　通過以上實驗探索最終總結出本課題中所研究的以檸檬酸和乙二胺為前驅物水熱法合成的碳量子點的發(fā)光機理，認為其熒光主要是表面分子態(tài)在紫外光的激發(fā)下發(fā)射出藍色熒光，核心結構碳化成石墨態(tài)之后對紫外光有吸收作用，二