CN103950913A - 一种水溶性荧光碳纳米粉末的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种水溶性荧光碳纳米粉末的制备方法，在每20ml的水中添加分子量为1000-2000的聚乙烯醇1-2g，氢氧化钠0.1-0.2g，搅拌均匀，然后将上述溶液转移到水热反应釜中，在200-250℃下反应3-24小时，然后使反应釜自然冷却到室温，得到棕色水溶液，最后将溶液纯化、干燥、研磨，得到固体荧光粉末。本发明制备的荧光粉不含昂贵的稀土元素，制备方法简单，产率高，适合工业化生产。无论是固体粉末还是液体都可以发光，可在LED等领域得到广泛应用。并且，通过添加不同的调色剂，如高锰酸钾等，可以得到不同颜色的荧光粉。

Description

一种水溶性荧光碳纳米粉末的制备方法
技术领域
    本发明涉及纳米材料领域，具体是一种水溶性荧光碳纳米粉末的制备方法。
背景技术
据《2013-2017年中国LED照明产业市场前瞻与投资战略规划分析报告》分析认为，LED照明市场一直被认为是LED最重要、最具发展前景的应用。总体来看，宏观环境对于LED照明应用的发展非常有利。其中，白光照明一般采用蓝色LED芯片及黄色荧光粉的复合来实现，而传统的荧光粉一般均含有昂贵且珍贵的稀土资源如钕，铕，锶等，不仅生产成本高，还浪费了宝贵的稀土资源。
近年来，一种新型荧光碳纳米材料受到广泛关注。此类碳纳米材料具有优良的荧光性能，如不发生光漂白、发射波长可调、无闪烁等。此外，这类材料具有良好的水溶性，毒性低，生物相容性好以及廉价易得等特点，有望取代传统的含重金属元素镉等的半导体量子点，在材料科学、生物化学、LED照明等领域具有广阔的应用前景。虽然目前已经有很多荧光碳纳米材料的制备方法，例如：中国专利一种具有荧光性质的水溶碳纳米粒子材料的制备方法，发明人为刘阳、李海涛、康振辉、何小蝶、黄慧，申请号：201010604137.X；中国专利一种可控制备荧光碳点的方法，发明人为庞代文、包蕾、张志凌、田智全，申请号：201110356592.7；中国专利一种荧光碳量子点、制备方法及其应用，发明人为陈苏、郭新、余子夷、周进，申请号：201110288860.6等40余个。但是，目前制备的荧光碳纳米材料干燥后均不能发光，这大大阻碍了其在更多领域中的应用。
发明内容
本发明为了解决传统的荧光粉含稀土资源而新型荧光碳纳米材料干燥后不能发光的问题，提供了一种不含昂贵的稀土元素且干燥后可以发光的水溶性荧光碳纳米粉末，产率高，样品制备及处理步骤简单，易于操作。
本发明包括以下步骤：
1）每20ml的水中，添加分子量为1000-2000的聚乙烯醇1-2g，氢氧化钠0.1-0.2g，搅拌均匀；
2）将上述溶液转移到水热反应釜中，在200-250℃下反应3-24小时，然后使反应釜自然冷却到室温，得到棕色水溶液；
3）将溶液纯化、干燥、研磨，得到固体荧光粉末。
所述的纯化过程为首先以每分钟10000转以上的速度离心5-15分钟，然后用3000Da以上的透析袋在水中透析3-4天，每10-14小时更换一次水。
所述的干燥和研磨过程分别在真空干燥箱和研钵中完成。
进一步改进，步骤2）中，当反应釜反应10-14小时时，向溶液中添加调色剂，再反应10-14小时后使反应釜自然冷却到室温，得到变色水溶液。
    本发明有益效果在于：
1、本发明制备的荧光粉不含昂贵的稀土元素，无论是固体粉末还是液体都可以发光，可在LED等领域得到广泛应用。
2、制备方法简单，产率高，适合工业化生产。
3、通过添加不同的调色剂，如高锰酸钾等，可以得到不同颜色的荧光粉。
附图说明
图1（a）为本发明制备的水溶性荧光碳纳米粉末的透射电子显微镜图像。
图1（b）为本发明制备的水溶性荧光碳纳米粉末的高分辨透射电子显微镜图像。
图2为本发明制备的碳纳米材料水溶液的荧光光谱图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
实施案例1：
称取聚乙烯醇1g溶解于20mL水中；称取氢氧化钠0.1g加入到上述聚乙烯醇溶液中，用磁力搅拌子搅拌均匀。将上述溶液转移到40毫升聚四氟乙烯内衬的不锈钢水热反应釜中，在250℃条件下反应24小时。使反应釜自然冷却到室温，得到棕色的碳点水溶液。
采用高速离心机在10000转/分钟下离心10分钟，除去较大的颗粒；用3000Da透析袋进行透析3天，除去未反应的物质及杂质离子。将纯化后的溶液倒入瓷质盘子中，放入真空干燥箱进行干燥。然后将干燥的固体进行研磨，得到细小的荧光粉材料约0.57g，产率接近60%。
制备的材料的水溶液和固体粉末均能发出黄绿色荧光。碳量子点溶液具有荧光激发依懒性，当激发波长小于400nm时，发射峰位置不变；随着激发波长的增大，荧光发射峰从520nm开始逐渐降低，当激发波长大于420nm时，荧光强度急剧降低。
实施案例2：
称取聚乙烯醇2g溶解于20mL水中；称取氢氧化钠0.2g加入到上述聚乙烯醇溶液中，用磁力搅拌子搅拌均匀。将上述溶液转移到40毫升聚四氟乙烯内衬的不锈钢水热反应釜中，在250℃条件下反应3小时。使反应釜自然冷却到室温，得到棕色的碳点水溶液。
采用高速离心机在15000转/分钟下离心5分钟，除去较大的颗粒；用3000Da透析袋进行透析3天，除去未反应的物质及杂质离子。将纯化后的溶液倒入瓷质盆子中，放入真空干燥箱进行干燥。然后将干燥的固体进行研磨，得到细小的荧光固体粉末。
制备的材料的水溶液和固体粉末均能发出橙黄色荧光。碳量子点溶液具有荧光激发依懒性，当激发波长小于400nm时，发射峰位置不变；随着激发波长的增大，荧光发射峰从550nm开始逐渐降低，当激发波长大于420nm时，荧光强度急剧降低。
实施案例3：
称取聚乙烯醇1.5g溶解于20mL水中；称取氢氧化钠0.15g加入到上述聚乙烯醇溶液中，用磁力搅拌子搅拌均匀。将上述溶液转移到40毫升聚四氟乙烯内衬的不锈钢水热反应釜中，在250℃条件下反应12小时。使反应釜自然冷却到室温，得到棕色的碳点水溶液。
采用高速离心机在10000转/分钟下离心15分钟，除去较大的颗粒；用3000Da透析袋进行透析4天，除去未反应的物质及杂质离子。向醇化的溶液中加入1g高锰酸钾粉末，在50℃下反应12小时，重复上述纯化步骤，得到棕色溶液。制备的材料的水溶液和固体粉末均能发出绿色荧光且具有荧光激发依懒性。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种水溶性荧光碳纳米粉末的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1）每20ml的水中，添加分子量为1000-2000的聚乙烯醇1-2g，氢氧化钠0.1-0.2g，搅拌均匀；
2）将上述溶液转移到水热反应釜中，在200-250℃下反应3-24小时，然后使反应釜自然冷却到室温，得到棕色水溶液；
3）将溶液纯化、干燥、研磨，得到固体荧光粉末。
2.根据权利要求1所述的水溶性荧光碳纳米粉末的制备方法，其特征在于：所述的纯化过程为首先以每分钟10000转以上的速度离心5-15分钟，然后用3000Da以上的透析袋在水中透析3-4天，每10-14小时更换一次水。
3.根据权利要求1所述的水溶性荧光碳纳米粉末的制备方法，其特征在于：所述的干燥和研磨过程分别在真空干燥箱和研钵中完成。
4.根据权利要求1或2或3所述的水溶性荧光碳纳米粉末的制备方法，其特征在于：步骤2）中，当反应釜反应10-14小时时，向溶液中添加调色剂，再反应10-14小时后使反应釜自然冷却到室温，得到变色水溶液。
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