一種尺寸可控氮摻雜碳量子點的製備方法

2023-04-24 05:23:31

一種尺寸可控氮摻雜碳量子點的製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種尺寸可控氮摻雜碳量子點的製備方法，屬於納米材料學技術領域。
【背景技術】
[0002]碳量子點是近年來發現的以碳為骨架結構的新型螢光碳納米材料，是一種分散的、尺寸小於10 nm的類球形的納米顆粒。與傳統螢光量子點和有機染料相比，碳量子點不僅具有良好的水溶性、優越的螢光性、強的穩定性、很好的耐光性、可調控的發射波長等優點，還擁有較低的毒性、很好的生物相容性，因此在未來期望在替代傳統的螢光染料和量子點而應用於光電材料、生物成像、螢光探針等領域。
[0003]為了提高碳量子點的螢光性能，拓展其實際應用，人們對量子點進行了修飾改性。其中元素摻雜，尤其是氮摻雜是一種提高碳量子點的螢光性能的有效方法。目前在氮摻雜碳量子點的報導中，很多方法合成條件比較苛刻，或會使用單獨的碳源和氮源(CN201410134549.X和CN201410134549.X)。一般來說，碳量子點的尺寸對碳量子點的螢光性能有很大影響，不同尺寸的碳量子點在相同激發波長光的照射下所激發的發射光波長也不同。因此，一種高效、便宜、簡便以及尺寸可控的碳量子點的製備方法仍然迫切需要。

【發明內容】

[0004]本發明提供了一種尺寸可控氮摻雜碳量子點的製備方法，目的在於:為了克服目前氮摻雜碳量子點製備方法中存在的製備條件比較苛刻，碳源和氮源單獨使用等問題，通過控制加入碳化劑的量，無需其他分離手段，即可實現碳量子點的尺寸可控，從而提供一種以三異丙醇胺為碳源和氮源，以乙醇為溶劑，加入碳化劑，進行溶劑熱反應，合成尺寸可控氮摻雜碳量子點的方法。
[0005]—種尺寸可控氮摻雜碳量子點的製備方法，其特徵在於是一種通過控制加入碳化劑的量，無需其他分離手段，以三異丙醇胺為碳源和氮源，以乙醇為溶劑，加入碳化劑，進行溶劑熱反應，合成尺寸可控氮摻雜碳量子點的方法，具體包括以下步驟:
1)將三異丙醇胺加入乙醇中攪拌，待攪拌均勻後，緩慢加入不同量的碳化劑，攪拌得到均勻溶液；
2)將步驟I)得到的溶液緩慢轉移入聚四氟乙烯內襯不鏽鋼高壓反應釜中，放入恆溫乾燥箱中反應，得到氮摻雜碳量子點原液；
3)將步驟2)形成的氮摻雜碳量子點原液注入分子量為500Da透析袋中進行透析，透析時間為24?96 h，每隔6?24 h換一次水，得到氮摻雜碳量子點分散液；
4)將步驟3)中所得氮摻雜碳量子點分散液在50?80°C乾燥得到濃縮液;將濃縮液在-40?-80 0C進行冷凍乾燥，得到氮摻雜碳量子點固體。
[0006]上述一種尺寸可控氮摻雜碳量子點的製備方法，其特徵在於所述的步驟I)中以三異丙醇胺作為製備碳量子點的碳源及氮源，三異丙醇胺的量為2.0?40.0 mLo
[0007]上述一種尺寸可控氮摻雜碳量子點的製備方法，其特徵在於所述的步驟I)所述的碳化劑為硫酸、硝酸和H2O2中的一種，加入碳化劑與三異丙醇胺的摩爾量比為3?20%。
[0008]上述一種尺寸可控氮摻雜碳量子點的製備方法，其特徵在於所述的步驟I)所述的反應溫度為100?180°C，反應時間為6?24 h。
[0009]本發明提供的一種尺寸可控氮摻雜碳量子點的製備方法與現有技術相比有益效果是:
(1)本發明採用三異丙醇胺為碳源和氮源，原料廉價、易得；
(2)本發明合成方法工藝簡便，製備溫度較低(100?180°C)，易於控制，一步即可得到氮摻雜碳量子點；
(3)本發明通過控制加入碳化劑的量，實現碳量子點的尺寸可控，可將粒徑控制在2?10 nm範圍內ο
[0010](4)本發明製備的氮摻雜碳量子點水溶性好，具有良好的螢光性能，特別是優越的上轉光性能，能將近紅外光(650?1100 nm)轉換為可見光，有望應用於光電材料、生物成像、螢光探針等領域。
【附圖說明】
[0011]圖1為本發明實例1-3所製得的氮摻雜碳量子點的透射電鏡照片和氮摻雜碳量子點的粒徑分布直方圖。
[0012]圖2a為實施例3製備的氮摻雜碳量子點水溶液在日光下和在365nm波長激發下的照片以及在不同激發波長下的螢光發射光譜。圖2b為實施例3製備的氮摻雜碳量子點在不同激發波長下的上轉換螢光發射光譜。
[0013]圖3a為實施例3製備的氮摻雜碳量子點的X射線光電子光譜(XPS)的Cls譜。圖3b為實施例3製備的氮摻雜碳量子點的X射線光電子光譜(XPS)的NI s譜。
【具體實施方式】
[0014]下面結合本發明實例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行詳細說明。本發明的內容不只局限於所列舉的實施方式的範圍。
[0015]實施方式I
將2.9 mL三異丙醇胺加入60 mL乙醇中攪拌，待攪拌均勻後，緩慢加入0.5 mL稀硫酸(6.5%)，攪拌得到均勻溶液。將得到的溶液緩慢轉移入90 mL聚四氟乙烯內襯不鏽鋼高壓反應釜中，放入恆溫乾燥箱中，120 °C下反應12 h，得到淡黃色的碳量子點原液。將形成的碳量子點原液注入透析袋中進行透析，透析袋分子量為500 Da，透析時間為72 h，每隔12 h換一次水，得到氮摻雜碳量子點分散液。將所得氮摻雜碳量子點分散液在60°C下乾燥得到濃縮液，將濃縮液在-80 0C下進行冷凍乾燥，得到氮摻雜碳量子點固體。
[0016]實施方式2
將4.9 mL三異丙醇胺加入60 mL乙醇中攪拌，待攪拌均勻後，緩慢加入1.5 mL的稀硝酸(5.0 %)，攪拌得到均勻溶液。將得到的溶液緩慢轉移入90 mL聚四氟乙烯內襯不鏽鋼高壓反應釜中，放入恆溫乾燥箱中，120°C反應12 h，得到黃色的碳量子點原液。將形成的碳量子點原液注入透析袋中進行透析，透析袋分子量為500 Da，透析時間為72 h，每隔12 h換一次水，得到氮摻雜碳量子點分散液。將所得氮摻雜碳量子點分散液在60 °(:乾燥得到濃縮液，將濃縮液在-80 0C進行冷凍乾燥，得到氮摻雜碳量子點固體。
[0017]實施方式3
將10.0 mL三異丙醇胺加入60 mL乙醇中攪拌，待攪拌均勻後，緩慢加入2.0 mL的H2O2(30%)，攪拌得到均勻溶液。將得到的溶液緩慢轉移入90 mL聚四氟乙烯內襯不鏽鋼高壓反應釜中，放入恆溫乾燥箱中，120°C反應12 h，得到棕黃色的碳量子點原液。將形成的碳量子點原液注入透析袋中進行透析，透析袋分子量為500 Da，透析時間為72 h，每隔12 h換一次水，得到氮摻雜碳量子點分散液。將所得氮摻雜碳量子點分散液在60 °(:乾燥得到濃縮液，將濃縮液在-80 0C進行冷凍乾燥，得到氮摻雜碳量子點固體。
[0018]對實施例樣品進行表徵。
[0019]利用透射電子顯微鏡表徵碳量子點的形貌。結果表明，製備的氮摻雜碳量子點的形貌均為近圓形。改變碳化劑的加入量，可以提到不同尺寸的氮摻雜碳量子點。如實施例1(d)，實施例2(e)，實施例3 (f)的製備的氮摻雜碳量子點的平均粒徑分別為2.85 ± 0.2nm,4.20 土 0.4 nm 和5.62 土 0.5 nm，見圖1。
[0020]如圖2a所示，實施例3中製備的氮摻雜碳量子點水溶液在日光下為淡黃色，在365nm波長激發下則發出明亮的藍綠色螢光。利用螢光分光光度計考察實施其在不同激發波長下的螢光光譜，發現所制氮摻雜碳量子點具有良好的發光效率。其螢光峰位置隨著激發波長的紅移而紅移，呈現出一種激發依賴下轉光螢光性質;除此之外，氮摻雜碳量子點還具有優越的上轉光螢光性質，如圖2b所示，實施例3中製備的氮摻雜碳量子點能將近紅外光(650?1100 nm)轉換為可見光，這為其在光催化劑的設計及生物成像應用中提供的良好的基礎。
[0021]利用X射線光電子能譜螢光(XPS)測定了實施例3中製備的氮摻雜碳量子點的Cls和Nls分峰圖(見圖3a和圖3b)，由圖可知氮摻雜碳量子點表面有C=C、C-N、C=0，以及Ν-0、Ν-Η等化學基團或化學鍵，說明所製備的碳量子點確實為氮摻雜碳量子點。
【主權項】
1.一種尺寸可控氮摻雜碳量子點的製備方法，其特徵在於是用三異丙醇胺同時作為碳源和氮源，以乙醇為溶劑，加入碳化劑進行溶劑熱反應，經冷卻、透析後可製得氮摻雜碳量子點分散液，經濃縮，冷凍乾燥後可得氮摻雜碳量子點固體，其中通過控制加入碳化劑的量，實現碳量子點的尺寸可控，該方法包括下列步驟: 1)將三異丙醇胺加入乙醇中攪拌，待攪拌均勻後，緩慢加入碳化劑，攪拌均勻得到溶液； 2)將步驟I)得到的溶液緩慢轉移入聚四氟乙烯內襯不鏽鋼高壓反應釜中，放入恆溫乾燥箱中反應，得到氮摻雜碳量子點原液； 3)將步驟2)形成的氮摻雜碳量子點原液注入分子量為500Da透析袋中進行透析，透析時間為24?96 h，每隔6?24 h換一次水，得到氮摻雜碳量子點分散液； 4)將步驟3)中所得氮摻雜碳量子點分散液在50?80°C乾燥得到濃縮液;將濃縮液在-40?-80 0C進行冷凍乾燥，得到氮摻雜碳量子點固體粉末。2.根據權利要求1所述的一種尺寸可控氮摻雜碳量子點的製備方法，其特徵在於:步驟I)中以三異丙醇胺作為製備碳量子點的碳源及氮源，三異丙醇胺的量為2.0?40.0 mLo3.根據權利要求1所述的一種尺寸可控氮摻雜碳量子點的製備方法，其特徵在於:根據權利要求1所述的碳化劑為硫酸、硝酸和H2O2中的一種，加入碳化劑與三異丙醇胺的摩爾量比為3?21%。4.根據權利要求1所述的一種尺寸可控氮摻雜碳量子點的製備方法，其特徵在於:步驟I)所述的反應溫度為100?180°C，反應時間為6?24 h。
【專利摘要】一種尺寸可控氮摻雜碳量子點的製備方法，屬於納米材料學技術領域，其特徵在於本發明的方法採用三異丙醇胺原料，在乙醇溶劑中，加入碳化劑，經溶劑熱反應後過濾、透析可得到氮摻雜碳量子點分散液，再經濃縮、冷凍乾燥可得到氮摻雜碳量子點固體，其中通過控制加入碳化劑的量，實現碳量子點的尺寸可控。本發明所採用的原料廉價、易得，且合成方法工藝簡便，製備溫度較低，操作可控。其中，三異丙醇胺既作為碳源亦作為氮源，製得的氮摻雜碳量子點具有良好的螢光性能，有望應用於光電材料、生物成像、螢光探針等領域。
【IPC分類】C09K11/65
【公開號】CN105713608
【申請號】CN201610054543
【發明人】王雅文, 樊彩梅, 曹永倩, 李雙志
【申請人】太原理工大學