CN104030267B - 一种石墨化荧光碳点的快速制备方法 - Google Patents

一种石墨化荧光碳点的快速制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种石墨化荧光碳点的快速制备方法，是针对目前制备荧光碳点存在的弊端，不使用催化剂和掺杂剂，采用乙炔为碳源、氩气为载气，用化学气相沉积法快速制备石墨化荧光碳点，此制备方法工艺先进、迅速快捷、数据翔实精确，产物荧光碳点为棕黄色粉体颗粒，颗粒直径≤10？nm，产物纯度好，达99.1%，产物晶格清晰，晶格间距为0.34nm，对应石墨的002晶面，石墨化程度高，导电性能优越，是十分理想的石墨化荧光碳点的制备方法。

Description

一种石墨化荧光碳点的快速制备方法
技术领域
本发明涉及一种石墨化荧光碳点的快速制备方法，属碳纳米材料的制备及应用的技术领域。
背景技术
碳点Carbon dots，简称CDs，是一种单分散的形貌，类似球形的碳纳米材料，其粒径小于10nm，因其粒径小而表现出独特的尺寸效应，具有电学、光学和电化学性质，同时具有良好的水溶性、低毒、生物相容性特点，因此在材料科学、生物化学、电子器件及生物医学方面具有广阔的应用前景。
目前，碳点的制备方法较多，例如：电化学蚀刻法、激光蚀刻法、电弧放电法、微波法、热解法等，但大都使用的设备较昂贵，操作复杂，周期长，副产物污染严重，合成的碳点发光稳定性差，光学性质易受外部干扰，且发光单一，使碳点的制备和广泛应用受到很大局限。
发明内容
发明目的
本发明的目的是针对背景技术的状况，采用乙炔气体为碳源，氩气为载气，采用化学气相沉积法快速制备石墨化荧光碳点，以减少污染，提高碳点的石墨化程度，达到快速环保制备的目的。
技术方案
本发明使用的化学物质材料为：乙炔、氩气、无水乙醇、去离子水，其准备用量如下：以厘米3、毫升为计量单位
制备方法如下：
(1)精选化学物质材料
对制备使用的化学物质材料要进行精选，并进行质量纯度控制：
(2)化学气相合成
石墨化荧光碳点的化学气相合成是在管式高温炉内进行的，是以乙炔为碳源、氩气为载气，在高温加热状态下完成的；
①将石英管置于管式高温炉内的道轨上，在石英管两端装入密封胶塞，确定左部为进气部位、右部为出气部位；
②石英管左部进气部位联接乙炔+氩气的混合气体箱，石英管右部出气部位联接产物冷却收集箱；
③开启管式高温炉的电阻加热器，使石英管内温度升至600℃±5℃时，向石英管内输入氩气，氩气输入速度200cm3/min，输入时间15min；
④管式高温炉继续升温至1000℃±5℃，调整氩气输入速度至700cm3/min；
开启乙炔气体瓶，向石英管内输入乙炔气体，乙炔气体输入速度80cm3/min，乙炔气体输入时间60min；
乙炔气体在高温加热、氩气载流状态下将发生化学形态转化效应，生成碳点，碳点产物随气体流动进入产物冷却收集箱，废气由出气部位排除；
碳点生成化学反应式如下：
式中：CDs：碳点
⑤关闭管式高温炉的电阻加热器，停止加热，同时关闭乙炔气体瓶，停止输入乙炔气体；调整氩气输入速度，为200cm3/min；
当石英管内温度降至300℃时，关闭氩气，停止输入氩气；使石英管随炉自然冷却至25℃；
⑥收集产物，打开产物冷却收集箱，收集箱内产物：碳点混合物；
(3)超声分散
①将碳点混合物置于烧杯中，然后加入无水乙醇300mL、去离子水100mL，成碳点混合液；
②将盛有碳点混合液的烧杯置于超声波分散仪中，进行超声分散；
③开启超声波分散仪加热器，加热烧杯及其内的碳点混合液，加热温度70℃±2℃；
④开启超声波分散仪，超声波频率40KHz，超声分散时间30min；
(4)抽滤
将超声分散后的碳点混合液置于抽滤瓶的布氏漏斗中，用三层中速定性滤纸进行抽滤，滤纸上留存滤渣，弃掉，碳点滤液收集于滤瓶中；
(5)滤膜过滤
将滤瓶内的混合溶液移至注射器内，用220nm的滤膜注射过滤，过滤后，保存滤液，弃掉滤膜和沉淀物；
(6)冷冻干燥
①将碳点滤液置于石英容器中，然后置于低温冰箱中快速冷冻，冷冻温度-80℃±2℃，冷冻时间30min；
②冷冻后，将石英容器及其内的碳点滤液置于冷冻干燥器中，进行冷冻干燥，干燥时间24h，干燥后得产物碳点；
(7)研磨
将冷冻干燥的碳点用玛瑙研钵、研棒进行研磨，研磨后为棕黄色粉体碳点，即荧光碳点；
(8)检测、分析、表征
对制备的荧光碳点的色泽、形貌、结构、成分、化学物理性能进行检测、分析、表征；
用透射电子显微镜进行材料微观形貌和结构分析；
用傅里叶红外光谱分析仪进行表面官能团分析；
用紫外可见分光光度计进行光学性能分析；
用荧光光谱仪进行荧光性能分析；
结论：荧光碳点为棕黄色粉体颗粒，颗粒直径≤10nm，产物纯度99.1％，晶格清晰，晶格间距为0.34nm，对应石墨的002晶面，石墨化程度高，电性能优越；
(9)产物储存
制备的荧光碳点储存于棕色透明的玻璃容器内，密闭避光储存，要防水、防晒、防酸碱盐侵蚀，储存温度20℃，相对湿度≤10％。
有益效果
本发明与背景技术相比具有明显的先进性，是针对制备荧光碳点存在的弊端，采用乙炔气体为碳源、氩气为载气，用化学气相沉积法快速制备石墨化的荧光碳点，此制备方法工艺先进，迅速快捷，数据准确，产物荧光碳点为棕黄色粉体颗粒，颗粒直径≤10nm，产物纯度好，达99.1％，晶格清晰，晶格间距为0.34nm，对应石墨的002晶面，石墨化程度高，电性能优越，是十分理想的石墨化荧光碳点的制备方法。
附图说明
图1石墨化荧光碳点化学气相合成状态图
图2石墨化荧光碳点微观形貌和结构图
图3石墨化荧光碳点红外光谱图
图4石墨化荧光碳点紫外可见吸收光谱图
图5石墨化荧光碳点光致发光光谱图
图中所示，附图标记清单如下：
1、管式高温炉，2、电控箱，3、显示屏，4、指示灯，5、电源开关，6、电阻加热控制器，7、电阻加热器，8、石英管，9、第一堵塞，10、第二堵塞，11、乙炔瓶，12、乙炔管，13、乙炔阀，14、氩气瓶，15、氩气管，16、氩气阀，17、混合气体箱，18、气体表，19、混合气体，20、产物冷却收集箱，21、出气孔，22、出气管，23、出气阀，24、进气管，25、道轨，26、碳点。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步说明：
图1所示，为石墨化荧光碳点化学气相合成状态图，各部位置要正确，按量配比，按序操作。
制备使用的化学物质量值是按预先设置的范围确定的，以厘米3、毫升为计量单位。
石墨化荧光碳点的化学气相合成是在管式高温炉内进行的，是以乙炔气体为碳源、氩气为载气，在高温加热状态下完成的；
管式高温炉为卧式，管式高温炉1下部为电控箱2，在电控箱2上设有显示屏3、指示灯4、电源开关5、电阻加热控制器6；在管式高温炉1内中间位置设有电阻加热器7，在管式高温炉1的炉腔内底部设有道轨25，在道轨25上设置石英管8，石英管8左部由第一堵塞9堵住并密封，石英管8右部由第二堵塞10堵住并密封；在管式高温炉1的左部设有乙炔瓶11、氩气瓶14，乙炔瓶11上部由乙炔管12、乙炔阀13联接混合气体箱17，氩气瓶14由氩气管15、氩气阀16联接混合气体箱17，混合气体箱17通过气体表18、进气管24、第一堵塞9向石英管8内输入混合气体19；在管式高温炉1的右部设有产物冷却收集箱20，产物冷却收集箱20上部通过出气阀23、出气管22、第二堵塞10联通石英管8，石英管8内的混合气体19在化学形态转换效应下生成荧光碳点26，并通过出气管22进入产物冷却收集箱20内，荧光碳点26沉积在产物冷却收集箱内底部，废气通过出气孔21排出。
图2所示，为石墨化荧光碳点微观形貌和结构图，从图中可知：碳点呈实心球形，粒径≤10nm，右图是碳点放大图，可以看出碳点晶格条纹排列规整，晶格间距为0.34nm，对应碳的002晶面，石墨化程度高，说明碳点具有较高的导电性，在电学方面具有潜在的应用价值。
图3所示，为石墨化荧光碳点红外光谱图，图中可知：1385cm-1和2928cm-1处的振动峰对应C-H弯曲振动，1636cm-1处对应C＝O的不对称振动峰，而3386cm-1处的振动峰主要由O-H的伸缩振动引起，说明碳点表面含有O-H和COOH含氧官能团，具有水溶性。
图4所示，为石墨化荧光碳点紫外可见吸收光谱图，图中可知：碳点溶液在205nm、241nm和302nm处有三个吸收峰，图中的插图是碳点水溶液在365nm的紫外灯下的光学照片，可以看到碳点溶液发出明亮的蓝色。
图5所示，为石墨化荧光碳点光致发光光谱图，图中可知：用不同的激发波长240nm和420nm激发碳点得到系列光致发光光谱，当激发波长从240到420变化时，其432nm处的最大发射峰位置不变，只是强度有所变化，说明碳点具有激发波长不相关的光致发光特征，从图看出碳点的最佳激发波长为360nm。

Claims (2)

1.一种石墨化荧光碳点的快速制备方法，其特征在于：
使用的化学物质材料为：乙炔、氩气、无水乙醇、去离子水，其准备用量如下：以厘米3、毫升为计量单位
制备方法如下：
(1)精选化学物质材料
对制备使用的化学物质材料要进行精选，并进行质量纯度控制：
(2)化学气相合成
石墨化荧光碳点的化学气相合成是在管式高温炉内进行的，是以乙炔为碳源、氩气为载气，在高温加热状态下完成的；
①将石英管置于管式高温炉内的道轨上，在石英管两端装入密封胶塞，确定左部为进气部位、右部为出气部位；
②石英管左部进气部位联接乙炔+氩气的混合气体箱，石英管右部出气部位联接产物冷却收集箱；
③开启管式高温炉的电阻加热器，使石英管内温度升至600℃±5℃时，向石英管内输入氩气，氩气输入速度200cm3/min，输入时间15min；
④管式高温炉继续升温至1000℃±5℃，调整氩气输入速度至700cm3/min；
开启乙炔气体瓶，向石英管内输入乙炔气体，乙炔气体输入速度80cm3/min，乙炔气体输入时间60min；
乙炔气体在高温加热、氩气载流状态下将发生化学形态转化效应，生成碳点，碳点产物随气体流动进入产物冷却收集箱，废气由出气部位排除；
碳点生成化学反应式如下：
式中：CDs：碳点
⑤关闭管式高温炉的电阻加热器，停止加热，同时关闭乙炔气体瓶，停止输入乙炔气体；调整氩气输入速度，为200cm3/min；
当石英管内温度降至300℃时，关闭氩气，停止输入氩气；使石英管随炉自然冷却至25℃；
⑥收集产物，打开产物冷却收集箱，收集箱内产物：碳点混合物；
(3)超声分散
①将碳点混合物置于烧杯中，然后加入无水乙醇300mL、去离子水100mL，成碳点混合液；
②将盛有碳点混合液的烧杯置于超声波分散仪中，进行超声分散；
③开启超声波分散仪加热器，加热烧杯及其内的碳点混合液，加热温度70℃±2℃；
④开启超声波分散仪，超声波频率40KHz，超声分散时间30min；
(4)抽滤
将超声分散后的碳点混合液置于抽滤瓶的布氏漏斗中，用三层中速定性滤纸进行抽滤，滤纸上留存滤渣，弃掉，碳点滤液收集于滤瓶中；
(5)滤膜过滤
将滤瓶内的混合溶液移至注射器内，用220nm的滤膜注射过滤，过滤后，保存滤液，弃掉滤膜和沉淀物；
(6)冷冻干燥
①将碳点滤液置于石英容器中，然后置于低温冰箱中快速冷冻，冷冻温度-80℃±2℃，冷冻时间30min；
②冷冻后，将石英容器及其内的碳点滤液置于冷冻干燥器中，进行冷冻干燥，干燥时间24h，干燥后得产物碳点；
(7)研磨
将冷冻干燥的碳点用玛瑙研钵、研棒进行研磨，研磨后为棕黄色粉体碳点，即荧光碳点；
(8)检测、分析、表征
对制备的荧光碳点的色泽、形貌、结构、成分、化学物理性能进行检测、分析、表征；
用透射电子显微镜进行材料微观形貌和结构分析；
用傅里叶红外光谱分析仪进行表面官能团分析；
用紫外可见分光光度计进行光学性能分析；
用荧光光谱仪进行荧光性能分析；
结论：荧光碳点为棕黄色粉体颗粒，颗粒直径≤10nm，产物纯度99.1％，晶格清晰，晶格间距为0.34nm，对应石墨的002晶面，石墨化程度高，电性能优越；
(9)产物储存
制备的荧光碳点储存于棕色透明的玻璃容器内，密闭避光储存，要防水、防晒、防酸碱盐侵蚀，储存温度20℃，相对湿度≤10％。
2.根据权利要求1所述的一种石墨化荧光碳点的快速制备方法，其特征在于：
石墨化荧光碳点的化学气相合成是在管式高温炉内进行的，是以乙炔气体为碳源、氩气为载气，在高温加热状态下完成的；
管式高温炉为卧式，管式高温炉(1)下部为电控箱(2)，在电控箱(2)上设有显示屏(3)、指示灯(4)、电源开关(5)、电阻加热控制器(6)；在管式高温炉(1)内中间位置设有电阻加热器(7)，在管式高温炉(1)的炉腔内底部设有道轨(25)，在道轨(25)上设置石英管(8)，石英管(8)左部由第一堵塞(9)堵住并密封，石英管(8)右部由第二堵塞(10)堵住并密封；在管式高温炉(1)的左部设有乙炔瓶(11)、氩气瓶(14)，乙炔瓶(11)上部由乙炔管(12)、乙炔阀(13)联接混合气体箱(17)，氩气瓶(14)由氩气管(15)、氩气阀(16)联接混合气体箱(17)，混合气体箱(17)通过气体表(18)、进气管(24)、第一堵塞(9)向石英管(8)内输入混合气体(19)；在管式高温炉(1)的右部设有产物冷却收集箱(20)，产物冷却收集箱(20)上部通过出气阀(23)、出气管(22)、第二堵塞(10)联通石英管(8)，石英管(8)内的混合气体(19)在化学形态转换效应下生成荧光碳点(26)，并通过出气管(22)进入产物冷却收集箱(20)内，荧光碳点(26)沉积在产物冷却收集箱内底部，废气通过出气孔(21)排出。
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