CN104987861A - 一种由玉米秸秆制备具有上下转换发光性质碳点的方法 - Google Patents

Abstract

一种由玉米秸秆制备具有上下转换发光性质碳点的方法，涉及一种荧光纳米材料及其制备方法，所述方法包括以下制备过程：1）将玉米秸秆破碎后加入水中形成混合反应液；2）将所述混合反应液在120~240℃下水热反应2~72小时至形成黄色反应液；3）离心分离除去所述黄色反应液中的固形物后得到所述具有上下转换发光性质的碳点溶液；混合反应液中溶剂水与玉米秸秆的质量比为80～200。该方法制备工艺简单，操作方便，不需要复杂昂贵的设备，易于实现工业化生产，以生物质材料替代有机化合物为碳源，碳源绿色、成本低廉、可再生。

Description

一种由玉米秸秆制备具有上下转换发光性质碳点的方法

技术领域

本发明涉及一种荧光纳米材料及其制备方法，特别涉及一种基于秸秆材料水热法制备碳点的方法，尤其是以玉米秸秆为碳源一步水热法制备具有上下转换发光性质的碳点。

背景技术

碳点是一种新型的小尺寸碳纳米材料，因其卓越的荧光性能和生物相容性等优势而倍受关注。相比于有机染料和传统的半导体量子点（CdSe, CdTe 等），碳点除了具有良好的水溶性，高稳定性，低毒性和良好的生物相容性，还具有独特的光学和电学特性。近年来，基于其优异而可调的荧光性质，较小的分子量和粒径、易实现表面功能化以及无“光闪烁”现象和抗光漂白性等特点，碳点被用作一种新型而独特的荧光探针或荧光标记物，在生物成像、检测以及医药传输方面被广泛地应用。

目前，可采用浓酸氧化法、电化学法、溶剂热/水热法等制备出性能良好的碳点。在这些方法中，浓酸氧化法在制备碳点的过程中使用大量强酸和氧化剂，反应条件不易控制，并且容易污染环境。电化学法效率很低，难以满足大规模的需要。溶剂热/水热法制备碳点较为容易控制反应条件，是制备碳点常用的方法，但一般需要较贵的有机化合物为碳源，这大大限制了碳点的实际应用。生物质具有可再生、无污染、含量丰富、廉价等优点，所以生物质碳源是代替有机化合物碳源制备碳材料的最佳选择。我国是农业大国，有丰富的秸秆资源，年产量可达7亿多吨，其中玉米秸秆占30%左右。玉米秸秆除了作为牲口饲料、“秸秆还田”作肥料外，剩余部分主要用作燃料，以直接燃烧为主，能源利用率仅为13%。“每年开春之后，农民第一件事就是在地头焚烧秸秆，大量烟雾导致空气污染，也隐藏着巨大火灾隐患。”玉米秸秆主要由纤维素、半纤维素以及木质素三种成分组成，这些物质中富含碳元素，以此为原料发展简单高效的方法合成碳点可以开辟剩余资源有效利用的新途径。本发明首次采用玉米秸秆这种新颖的生物质碳源水热法一步制备发光碳点，无需钝化修饰。本发明的优势在于生物质碳源来源丰富，制备工艺简单、环保，制备的碳点具有上转换和下转换发光性能，在生物标记、光催化降解有机污染物和能源等领域具有潜在的应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种由玉米秸秆制备具有上下转换发光性质碳点的方法，该方法制备工艺简单，操作方便，不需要复杂昂贵的设备，易于实现工业化生产，以生物质材料替代有机化合物为碳源，碳源绿色、成本低廉、可再生。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种由玉米秸秆制备具有上下转换发光性质碳点的方法，该制备方法包括以下步骤：

将玉米秸秆破碎后加入水中形成混合反应液；

将所述混合反应液在120~240℃下水热反应2~72小时至形成黄色反应液；

离心分离除去所述黄色反应液中的固形物后得到所述具有上下转换发光性质的碳点溶液。

优选的，所述混合反应液中溶剂水与玉米秸秆的质量比为80～200。

较为优选的，所述制备方法还可包括：将所述混合反应液在温度为120-140℃的条件下反应24-72h，从而形成所述黄色溶液；

较为优选的，所述制备方法还可包括：将所述混合反应液在温度为150-180℃的条件下反应6-24h，从而形成所述黄色溶液；

较为优选的，所述制备方法还可包括：将所述混合反应液在温度为190-240℃的条件下反应2-12h，从而形成所述黄色溶液。

本发明的优点与效果是：

（1）本发明以生物质材料替代有机化合物为碳源，碳源绿色、成本低廉、可再生，是剩余资源有效利用的新举措。

（2）所采用的水热合成技术，以水为溶剂，不涉及有毒有害的有机溶剂及强酸等易导致环境污染的化学试剂。

（3）制备出的碳点在波长为320～420纳米或700～850纳米的激发光照射下，呈现强的下转换或上转换发光。

（4）本发明碳点的制备工艺简单，操作方便，不需要复杂昂贵的设备，易于实现工业化生产。

附图说明

图1：碳点在透射电镜（TEM）下的照片（对应实施例1产物）；

图2：碳点水溶液在不同波长光激发下的下转换发光光谱图( 激发波长由320纳米至420纳米，步长为20纳米)；（对应实施例1产物）

图3：碳点水溶液在不同波长光激发下的上转换发光光谱图( 激发波长由700纳米至850纳米，步长为50纳米)。（对应实施例1产物）。

具体实施方式

实施例1

将玉米秸秆破碎后，按水与玉米秸秆质量比为80配成混合反应液。取80毫升上述溶液置于100毫升水热反应釜中，再将反应釜放置于已经升温至180℃的烘箱中，保温10小时后将反应釜取出并自然冷却至室温。将反应液离心分离除去固形物，得到具有下转换和上转换发光性质的碳点溶液。

图1为本实施例制备的碳点的透射电镜照片，由照片可以看出制备的碳点形貌均一，粒径约6纳米，分散性良好，在生物分析、催化等领域有良好的应用前景。

图2为本实施例制得的碳点溶液用水稀释后的下转换荧光光谱图。由图可见，碳点溶液具有荧光激发波长依赖性，即荧光最大发射波长及强度跟激发光波长紧密相关。随着激发波长从320纳米增加到400纳米，荧光最大发射波长位置出现明显的红移，荧光强度先升高后降低。其中，当激发波长为360纳米时，发射光最强。

值得注意的是，本实施例合成的荧光碳点还表现出了上转换的发光性质，图3为本实施例制得的碳点溶液用水稀释后的上转换荧光光谱图。如图所示，这种具有上转换发光性质的碳点，可以由长波长的光（700-850纳米）激发，发射出短波长的光（350-550纳米）。这一性质使其在生物样品分析、催化和能源领域具有卓越的应用潜能。

实施例2

将玉米秸秆破碎后，按水与玉米秸秆质量比为30配成混合反应液。取80毫升上述溶液置于100毫升水热反应釜中，再将反应釜放置于已经升温至120℃的烘箱中，保温72小时后将反应釜取出并自然冷却至室温。将反应液离心分离除去固形物，得到具有下转换和上转换发光性质的碳点溶液。

实施例3

将玉米秸秆破碎后，按水与玉米秸秆质量比为1000配成混合反应液。取80毫升上述溶液置于100毫升水热反应釜中，再将反应釜放置于已经升温至240℃的烘箱中，保温2小时后将反应釜取出并自然冷却至室温。将反应液离心分离除去固形物，得到具有下转换和上转换发光性质的碳点溶液。

实施例4

将玉米秸秆破碎后，按水与玉米秸秆质量比为200配成混合反应液。取80毫升上述溶液置于100毫升水热反应釜中，再将反应釜放置于已经升温至150℃的烘箱中，保温24小时后将反应釜取出并自然冷却至室温。将反应液离心分离除去固形物，得到具有下转换和上转换发光性质的碳点溶液。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，显然，本发明不限于以上实施例，还可以做出若干改进和修饰。对于本技术领域的普通技术人员均能够从本发明公开的内容直接衍生出各种的改进和修饰，这些都应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种由玉米秸秆制备具有上下转换发光性质碳点的方法，其特征在于，所述方法包括以下制备过程：

1）将玉米秸秆破碎后加入水中形成混合反应液；

2）将所述混合反应液在120~240℃下水热反应2~72小时至形成黄色反应液；

3）离心分离除去所述黄色反应液中的固形物后得到所述具有上下转换发光性质的碳点溶液；混合反应液中溶剂水与玉米秸秆的质量比为80～200。

2.根据权利要求1所述的一种由玉米秸秆制备具有上下转换发光性质碳点的方法，其特征在于，所述制备方法还可包括：将所述混合反应液在温度为120-140℃的条件下反应24-72h，从而形成所述黄色溶液。

3.根据权利要求1所述的一种由玉米秸秆制备具有上下转换发光性质碳点的方法，其特征在于，所述制备方法还可包括：将所述混合反应液在温度为150-180℃的条件下反应6-24h，从而形成所述黄色溶液。

4.根据权利要求1所述的一种由玉米秸秆制备具有上下转换发光性质碳点的方法，其特征在于，所述制备方法还可包括：将所述混合反应液在温度为190-240℃的条件下反应2-12h，从而形成所述黄色溶液。