CN105197911A - 一种富勒烯结构碳基量子点的制备方法 - Google Patents

一种富勒烯结构碳基量子点的制备方法 Download PDF

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董永强
池毓务
吴唤
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Abstract

本发明提供了一种富勒烯结构碳基量子点的制备方法，以富勒烯为原材料，以浓硝酸为氧化剂，经过简单的化学氧化过程及后续简单的过滤、蒸发处理即得大量的水溶性富勒烯结构碳基量子点。所获得的富勒烯结构碳基量子点平面尺寸主要分布于7到20纳米，厚度主要分布于0.4到1.3纳米。其表面带有大量的含氧官能团，如羟基、羧基等。该材料表现出良好的荧光性质和电致化学发光活性。该制备方法具有高效、快速、简单、廉价、可操作性强等优点。

Description

一种富勒烯结构碳基量子点的制备方法
技术领域
本发明属于材料制备领域，具体涉及一种富勒烯结构碳基量子点的制备方法。
背景技术
碳基量子点是指由碳纳米材料组成的，具有一定的发光活性的纳米材料，主要包括碳量子点和石墨烯量子点。碳量子点是指颗粒直径小于10纳米的碳纳米颗粒，而石墨烯量子点则是指直径小于100纳米的单层或多层石墨烯纳米片。与传统量子点相比，碳基量子点具有简单易得、价格低廉、光学稳定、亲水性好、表面易修饰及生物相容性好等优点，在分析检测和生物成像等方面有广阔的应用前景，逐渐成为了人们关注的热点。
目前已经建立起多种制备碳基量点的方法，如通过热处理（包括水热、直接加热等）把某些特殊的有机物（如柠檬酸、葡萄糖、淀粉或某些较大分子量的芳香族化合物等）转化为水溶性的碳基量子点(即“bottom-up”法)，或通过化学氧化、电化学氧化、水热或溶剂热等手段把某些大尺寸的碳材料（如碳纳米管、碳纤维、石墨、氧化石墨烯、碳黑等）切割成小尺寸的碳基量子点(即“top-down”法)。虽然不同方法所制得的碳基量子点在形貌上有所区别，但从结构上而言，大多已报道的碳基量子点都是由碳核及其表面的官能团所组成的。在现有的合成方法中有不少具备了操作简单、成本低廉、产率高等特点，然而这些方法所得的碳基量子点其碳核基本都是石墨结构。目前并未有关于其他结构的碳基量子点的报道。因此研制具有其他结构的碳基量子点，如富勒烯结构的碳基量子点，对于全面了解碳基量子点的性质和扩大碳基量子点的应用领域都是很有意义的。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种富勒烯结构碳基量子点的制备方法，该方法操作简单、成本低廉，产率高。所获得的富勒烯结构碳基量子点平面尺寸主要分布于7到20纳米，厚度主要分布于0.4到1.3纳米；表现出良好的荧光性质和电致化学发光活性。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
以富勒烯为原料，浓硝酸溶液为氧化剂，加热至100~200℃回流10~72小时；将反应物冷却至室温后过滤，取滤液，将滤液蒸干，以除去硝酸和水分，即得产物粉末。
所述富勒烯为C28、C34、C60、C70、C84、C90、C120中的一种或多种。
浓硝酸溶液的浓度为1~16摩尔/升。
每100毫升浓硝酸溶液对应加入0.05～5克富勒烯。
滤液蒸干温度为100～200℃。
一种如上所述的制备方法制得的富勒烯结构碳基量子点，其平面尺寸分布于7~20纳米，厚度分布于0.4~1.3纳米；表现出良好的荧光性质和电致化学发光活性。
本发明的显著优点在于：
本发明采用易得的富勒烯为原料，通过一步的化学氧化法制备水溶性富勒烯结构碳基量子点。该制备方法除了原料易得以外，其制备过程也特别简单，无需特殊的实验仪器，产品产率很高并且容易提纯，所得富勒烯结构的碳基量子点厚度均一（基本为单层），且平面尺度也相对均一。并且所得产物具有良好的荧光和电致化学发光性活性。
附图说明
图1为富勒烯结构碳基量子点的场发射透射电镜图（左）和原子力显微镜图(右上)；插图为原子力显微镜图片中切线的高度曲线(右下)；
图2为富勒烯结构碳基量子点的红外吸收光谱；
图3为富勒烯结构碳基量子点在不同激发波长条件下的发射光谱。
图4为富勒烯结构碳基量子点与K2S2O8间的共反应电致化学发光响应（虚线为富勒烯结构碳基量子点本身的电致化学发光响应；实线为富勒烯结构碳基量子点与1毫摩尔/升的K2S2O8的共反应电致化学发光响应）；插图为富勒烯结构碳基量子点的湮灭形电致化学发光响应。
具体实施方式
为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。
实施例1
将0.30克富勒烯粉末加入到100毫升的8摩尔/升硝酸溶液中，在130℃的条件下回流48小时；待溶液自然冷却至室温后，用滤纸过滤，取出滤液，并控制加热器温度为150℃，把所得滤液蒸干，得到红棕色粉末（约0.13克）；
透射电镜和原子力显微镜（见图1）表明实验所得的富勒烯结构碳基量子点平面尺寸主要分布于7到20纳米，厚度主要分布于0.4到1.3纳米；红外光谱（见图2）说明实验所得的富勒烯结构碳基量子点中含有大量的五边形碳结构，并且其表面带有大量的羧基和羟基。所制备的富勒烯结构碳基量子点具有良好的光学性质，其中包括具有明显的受激发波长影响的荧光活性（见图3）和具有煙灭机理及共反应机理（见图4）的电致化学发光活性，其电致化学发光的最大发射波长大约为535纳米。
实施例2
将5.00克富勒烯粉末加入到100毫升的16摩尔/升硝酸溶液中，在200℃的条件下回流72小时；待溶液自然冷却至室温后，用滤纸过滤，取出滤液，并控制加热器温度为100℃，把所得滤液蒸干，得到红棕色富勒烯结构碳基量子点粉末。
实施例3
将1.00克富勒烯粉末加入到100毫升的12摩尔/升硝酸溶液中，在100℃的条件下回流24小时；待溶液自然冷却至室温后，用滤纸过滤，取出滤液，并控制加热器温度为200℃把所得滤液蒸干，得到红棕色富勒烯结构碳基量子点粉末。
实施例4
将0.05克富勒烯粉末加入到100毫升的1摩尔/升硝酸溶液中，在100℃的条件下回流36小时；待溶液自然冷却至室温后，用滤纸过滤，取出滤液，并控制加热器温度为120℃把所得滤液蒸干，得到红棕色富勒烯结构碳基量子点粉末。
本发明采用的原料廉价易得，实验操作简单便捷，无需特别的实验仪器，反应过程无污染，且成品产率高，适合于大规模工业化生产。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种富勒烯结构碳基量子点的制备方法，其特征在于：以富勒烯为原料，浓硝酸溶液为氧化剂，加热至100~200℃回流10~72小时；将反应物冷却至室温后过滤，取滤液，将滤液蒸干，以除去硝酸和水分，即得产物粉末。
2.根据权利要求1所述富勒烯结构碳基量子点的制备方法，其特征在于：所述富勒烯为C28、C34、C60、C70、C84、C90、C120中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述富勒烯结构碳基量子点的制备方法，其特征在于：所述浓硝酸溶液的浓度为1~16摩尔/升。
4.根据权利要求1所述富勒烯结构碳基量子点的制备方法，其特征在于：所述富勒烯与浓硝酸溶液的用量比例为：每100毫升浓硝酸溶液中加入0.05～5克富勒烯。
5.根据权利要求1所述富勒烯结构碳基量子点的制备方法，其特征在于：所述滤液蒸干的温度为100～200℃。
6.一种如权利要求1所述的制备方法制得的富勒烯结构碳基量子点，其特征在于：所述的量子点平面尺寸分布于7~20纳米，厚度分布于0.4~1.3纳米。
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