水热法制备荧光碳量子点的研究

李想;刘学达;于金英;任炼;吴可嘉;董丽敏

【摘 要】本文以廉价易得的葡萄糖为碳源,采用一步水热法,合成了碳量子点.研究了水热法合成碳量子点的工艺条件.比对了葡萄糖在不同水热温度下获得的碳量子点的光致发光性能.结果表明:葡萄糖在180℃,保温24h条件下获得的碳量子点的荧光性能最佳,且以这种方式获得的碳量子点具有激发波长依赖特性,发光集中在蓝色-青色光区.

【期刊名称】《化学工程师》 【年(卷),期】2016(030)007 【总页数】3页(P22-24)

【关键词】碳量子点;水热法;光致发光性能 【作 者】李想;刘学达;于金英;任炼;吴可嘉;董丽敏

【作者单位】哈尔滨理工大学材料科学与工程学院,黑龙江哈尔滨150040;哈尔滨理工大学材料科学与工程学院,黑龙江哈尔滨150040;哈尔滨理工大学材料科学与工程学院,黑龙江哈尔滨150040;哈尔滨理工大学材料科学与工程学院,黑龙江哈尔滨150040;哈尔滨理工大学材料科学与工程学院,黑龙江哈尔滨150040;哈尔滨理工大学材料科学与工程学院,黑龙江哈尔滨150040 【正文语种】中 文 【中图分类】O469

随着研究者对碳纳米材料研究的逐步深入，富勒烯、碳纳米管、石墨烯［1］、石墨烯量子点［2］、碳量子点［3］等新型碳纳米材料在全球的范围内掀起了研究热潮。碳量子点（Carbon QuantumDots，缩写为CQDs）因其稳定的化学组成、粒径均在10nm以下、良好的水溶性、易于功能化、低细胞毒性等优点，在光电转换、光电催化、细胞成像、药物输送、离子检测等领域表现出巨大潜力［4］。通常碳被认为是一种黑色的材料，荧光性能较弱，但是碳量子点却不同，它具有较强的荧光性能［5］。并且，其发光的荧光特性依赖它的尺寸大小和激发波长大小［6］，由此受到研究者的广泛关注。水热法因其操作简单、工艺过程控制方便常被用于纳米材料的制备。

本文以易得无毒的葡萄糖为碳源，通过一步水热法合成了碳量子点。通过光致发光光谱比对了水热法制备碳点的工艺条件，并验证了碳量子点的激发波长依赖特性。 1.1 试剂

葡萄糖（A.R.天津恒学化学试剂制造有限公司）。所有试剂未经进一步纯化。 1.2 实验内容

将0.3g的葡萄糖溶于45mL去离子水中，磁力搅拌30min至澄清溶液，转移到100mL的反应釜内，一定温度下保温24h。

将所得的悬浊液随炉冷却至室温，然后通过离心沉降，转速8000r·min-1，再经过滤装置过滤掉较大颗粒的碳得澄清溶液，将所得澄清溶液置于100℃中控干燥箱中干燥，然后溶解保存，再经离心，取上清液干燥然后溶解于150mL去离子水中，即得浓度为0.25g·L-1的荧光碳量子点溶液。 1.3 结构与表征

采用荷兰PANalytical公司的X’Pert PRO MPD 型x衍射仪对制备的CQDs进行表征；采用日本JEOL公司的JEM-2100型透射电子显微镜观察CQDS的形貌及其尺寸大小；采用日本Shimadzu公司的 RF-5301PC型荧光分光光度计对制备

的CQDs的光致发光性能进行测试；采用上海棱光公司的UV757CRT型紫外可见分光光度计对CQDs的光学性质进行分析。 2.1CQDs的XRD分析

图1为制备的CQDs的XRD图谱。因为水热法获得的CQDs的特性，我们将其在载玻片上蒸干进行测试。

从图1中观察可发现，在2θ=20～25°的范围内有一个宽泛的峰，这个峰与（002）晶面的一致，这体现了碳的无定形特征。 2.2 CQDs的形貌分析

图2为制备样品的TEM照片，放大倍率为40万倍。

从TEM照片中可以看出，得到的CQDs的粒径大小均匀、近似为球形。并且碳量子点分散性良好，没有发生团聚，且制备的碳量子点分布密集。TEM照片显示所制备的碳量子点的尺寸在2～3nm之间，接近于零维尺寸状态。 2.3 CQDs的紫外可见吸收光谱分析

图3为以葡萄糖为碳源制得的CQDs的紫外可见吸收光谱。制备样品采用的方法为水热法。

由碳量子点的紫外可见吸收光谱分析可知，紫外吸收在200～250nm之间归因于碳量子点sp2区域的π-π*跃迁，碳量子点在250～350nm之间有一个强且宽的吸收带，可以看出我们制备的碳量子点在紫外区有较强的吸收，且吸收带可扩展至可见光区。

2.4 CQDs的光致发光性质分析 2.4.1 CQDs的激发波长依赖性

图4为采用水热法，以葡萄糖为碳源在200℃下保温24h获得的CQDs的荧光发射光谱。

从图4中可以看出，当激发波长由320nm逐步增加到420nm时，CQDs的发射

峰强度是先增加后降低，而且还出现了红移现象。分析可知，最佳激发波长为360nm，发射峰位置为431.5nm。

根据图4中数据分析可知，在320～420nm激发波长下，以葡萄糖为碳源水热法制备的CQDs在激发波长下发射峰位置从427.4nm红移至501.4nm。由此可知，荧光发射波长随着激发波长的变化而变化，即荧光发射波长具有激发波长依赖性。同时还能发现，随着发射波长的变化，CQDs的发光集中在蓝光-青光区域。发光从蓝色变化到青色荧光。发射峰位和荧光强度的改变是碳量子点表面的能阱数量不同所致。

2.4.2 水热法制备CQDs的最佳温度

图5为葡萄糖为碳源，在不同水热温度下获得的CQDs的荧光发射光谱。 葡萄糖的水热温度为150、180、200、250℃，水热时间为24h。分析可知，荧光强度随着水热温度先增后减，发射峰位置约为450nm，发蓝色荧光。荧光强度随着水热温度的增加而增加，当水热温度过高时，碳量子点颜色则变深变黑，有一股碳化过度的的味道。足够的时间以及高的水热温度可以促进碳源的碳化反应，但是当温度过高，碳化过度时，量子点浓度过高时会存在浓度淬灭效应。 （1）以葡萄糖为原料，采用一步水热法合成了碳量子点，产品经XRD表征，为无定形碳结构，经TEM照片分析，球状粒径尺寸约为2～3nm，确定为目标产物。 （2）通过光致发光光谱比对不同合成温度下碳量子点的荧光强度，180℃下水热时间24h获得的碳量子点能够发出强烈的蓝光。并且通过发光光谱发现，所制备的碳量子点具备激发波长依赖性，发射波长集中在蓝光-青光区域。

【相关文献】

［1］ K.S.Novoselov，A.K.Geim，S.V.Morozov，et al.Electric field effect inatomicallythincarbonfilms［J］.Science，2004，306（5696）：666-669.

［2］ 林新浩，张雨，王伟军，等.石墨烯量子点的制备与表征［J］.化学与黏合，2015，（1）：39-42.

［3］ X.Y.Xu，R.Ray，Y.L.Gu，et al.Electrophoretic analysis and purification of fluorescent single-walled carbon nanotube fragments ［J］.Journal of the American Chemical Society，2004，126（40）：12736-12737.

［4］ S.Y.Lim，W.Shen，Z.Gao.Carbon quantumdots and their applications［J］.Chemical SocietyReviews，2015，44（1）：362-381.

［5］ H.Li，X.He，Z.Kang，et al.Water-soluble fluorescent carbon quantum dots and photocatalyst design［J］.Angewandte Chemie International Edition，2010，49（26）：4430-4434.

［6］ Y.P.Sun，B.Zhou，Y.Lin，et al.Quantum-sized carbon dots for bright and colorful photoluminescence［J］.Journal of the American Chemical Society，2006，128（24）：7756-7757.