CN105567231A - 微波加热合成硫氮共掺杂荧光碳点的方法 - Google Patents

微波加热合成硫氮共掺杂荧光碳点的方法 Download PDF

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冯素玲
段俊霞
原焕
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吴呈珂
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Abstract

本发明公开了一种微波加热合成硫氮共掺杂荧光碳点的方法，具体步骤为：首先将质量比为22-61:100的乙二胺和质量浓度为98%的浓硫酸溶于蒸馏水中，搅拌混合均匀形成无色透明溶液；然后将无色透明溶液置于800W的微波炉中加热至少120s得到亮黑色泡沫状固体；再将亮黑色泡沫状固体溶于蒸馏水中并超声5分钟；最后将超声后的溶液用孔径为0.1μm的滤膜抽滤得到硫氮共掺杂荧光碳点溶液。本发明具有合成反应条件易控，操作方便，合成设备简单，原料常见易得，反应快速高效和荧光量子产率较高等优点。

Description

微波加热合成硫氮共掺杂荧光碳点的方法
技术领域
本发明属于硫氮共掺杂荧光碳点的合成技术领域，具体涉及一种微波加热合成硫氮共掺杂荧光碳点的方法。
背景技术
众所周知碳材料包括石墨、金刚石、富勒烯、碳纳米管和石墨烯，为了使这些材料具有荧光，就需要对它们的大小及表面所含的官能团进行调整。到目前为止，许多荧光纳米碳材料已经被合成，如碳纳米点、氧化石墨烯、石墨烯量子点纳米金刚石等。其中荧光碳点由于其独一无二的光学特性以及在光催化、光电设备和光学传感等方面的广泛应用而备受关注，在近十年来成为研究的热点。与传统的半导体量子点和有机染料相比，碳点良好的水溶性与较低的生物毒性使其更有利于应用在细胞成像、生物成像和药物运输等方面，为荧光纳米材料提供了更广阔的发展前景。
荧光碳点最初是在利用电弧放电法纯化单壁碳纳米管时偶然发现的，但这种方法合成的碳点不仅分离技术复杂，而且产率与量子产率都比较低。因而在近些年来被越来越多的新方法所取代，如激光烧烛法、水热法、超声法、微波法和高温热解法等。在这些方法中，微波法又以简单、快速、有效而备受欢迎。
荧光碳点作为碳纳米材料的新成员，通常是由大量的氧、氢原子与SP2杂化的碳原子组成，为直径小于10nm的颗粒，较小的粒径与较均匀粒径分布也使其拥有独特的性质。杂原子的加入可有效调节碳点的光学特性，包括碳点表面状态，电子分布等。因此，许多研究人员开始致力于将杂原子掺杂到碳点的工作中去。单独掺杂氮的碳点已被广泛报道，且其能提高碳点的荧光量子产率也是可以验证的。然而，同时掺杂氮和硫的碳点却非常有限，需要进一步的合成研究。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供了一种微波加热合成硫氮共掺杂荧光碳点的方法，该方法以乙二胺为碳源，并在其中引入硫原子，不仅可以快速提高乙二胺碳点的荧光量子产率与产率，而且能有效调节碳点的光学特性。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，微波加热合成硫氮共掺杂荧光碳点的方法，其特征在于具体步骤为：首先将质量比为22-61:100的乙二胺和质量浓度为98%的浓硫酸溶于蒸馏水中，搅拌混合均匀形成无色透明溶液；然后将无色透明溶液置于800W的微波炉中加热至少120s得到亮黑色泡沫状固体；再将亮黑色泡沫状固体溶于蒸馏水中并超声5分钟；最后将超声后的溶液用孔径为0.1μm的滤膜抽滤，得到硫氮共掺杂荧光碳点溶液。
进一步优选，微波炉加热时间优选为130s，乙二胺与硫酸的质量比优选为27:100。
本发明所用的原料乙二胺和硫酸均为实验室常用试剂，实施方式采用快速微波法，合成反应条件易控，操作方便，具有合成设备简单，原料常见易得，反应快速高效和荧光量子产率较高等优点。
附图说明
图1是本发明实施例1制得的硫氮共掺杂荧光碳点的傅里叶红外光谱图。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
本发明所涉及的乙二胺和硫酸合成硫氮共掺杂荧光碳点的合成方程式为：
首先将0.45mL（0.824g）质量浓度为98%的浓硫酸钝化剂加入到10mL蒸馏水中，边搅拌边加入0.25mL（0.225g）乙二胺得到无色透明溶液；然后将所得无色透明溶液置于800W的家用微波炉中加热130s得到亮黑色泡沫状固体；用10mL蒸馏水将亮黑色泡沫状固体溶解后再将所得溶液超声5分钟；最后将超声后的溶液用0.1μm的滤膜抽滤，将所得滤液（硫氮共掺杂荧光碳点溶液）定容至1000mL容量瓶。取3.0mL的溶液置于LS-55荧光分光光度计（美国PerkinElmer公司）中，测得其荧光值为812。
图1是本实施例制得的硫氮共掺杂荧光碳点的FTIR图谱，由图可知3090-3005cm-1范围内出现的吸收带对应于O-H/N-H结构的伸缩振动；2585-2469cm-1附近出现的吸收带对应于S-H结构的伸缩振动；在1617cm-1附近出现的吸收带对应于C=C结构的伸缩振动；1510cm-1处的吸收峰是N-H的伸缩振动峰；而1429cm-1则是C-N的伸缩振动吸收峰；1325cm-1是COO-的伸缩振动吸收峰；1157cm-1是C-O的伸缩振动；1027cm-1是SO3 -的伸缩振动吸收峰。由图可知硫氮共掺杂荧光碳点表面含有丰富的-COOH、-OH、-SH和-NH2等官能团。
实施例2
首先将0.45mL质量浓度为98%的浓硫酸加入到10mL蒸馏水中，边搅拌边加入0.25mL（0.225g）乙二胺得到无色透明溶液，平行配置8组上述溶液；然后将其分别置于800W的家用微波炉中加热90s、100s、110s、120s、130s、140s、150s、160s得到不同状态的固体；用10mL蒸馏水将固体溶解后再将所得溶液超声5分钟；最后将超声后的溶液用0.1μm的滤膜抽滤，将所得滤液（硫氮共掺杂荧光碳点溶液）定容至1000mL容量瓶。取3.0mL的溶液置于LS-55荧光分光光度计（美国PerkinElmer公司）中，测定其荧光值（表1）。
表1反应时间对所得硫氮共掺杂荧光碳点溶液荧光强度的影响
反应时间（s） 90 100 110 120 130 140 150 160
荧光强度 15 121 509 552 603 574 560 522
由表1可知，随着反应时间的延长，荧光碳点的合成反应逐渐完成。当微波加热反应时间为130s时，由硫酸做钝化剂所制得荧光碳点的荧光值达到最大，因此此微波反应的最佳反应时间为130s。
实施例3
首先分别将0.20mL、0.25mL、0.30mL、0.35mL、0.40mL、0.45mL、0.50mL、0.55mL的质量浓度为98%的浓硫酸加入到10mL蒸馏水中，边搅拌边加入0.25mL（0.225g）乙二胺得到溶液；然后将所得溶液置于800W的家用微波炉中加热130s得到不同状态的固体；用10mL蒸馏水将固体溶解后再将所得溶液超声5分钟；最后将超声后的溶液用0.1μm的滤膜抽滤，将所得的滤液（硫氮共掺杂荧光碳点溶液）定容至1000mL容量瓶。取3.0mL的溶液置于LS-55荧光分光光度计（美国PerkinElmer公司）中，测定其荧光值（表2）。
表2硫酸用量对所得硫氮共掺杂荧光碳点溶液荧光强度的影响
硫酸用量（mL） 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55
荧光强度 13 48 495 603 794 812 801 794
由表2可见，当硫酸钝化剂用量为0.45mL时，硫氮共掺杂荧光碳点的荧光值最大，这是因为硫酸用量少于0.45mL导致碳化不完全，所得荧光碳点的浓度较低。
实施例4
将0.25mL（0.225g）乙二胺溶于10mL蒸馏水中搅拌均匀得到溶液；然后将所得溶液置于800W的家用微波炉中加热130s得到少量浅黄色液体；用10mL蒸馏水将此液体溶解后再将所得溶液超声5分钟；最后将超声后的溶液用0.1μm的滤膜抽滤，将所得滤液（仅氮掺杂的荧光碳点溶液）定容至1000mL容量瓶。取3.0mL的溶液置于LS-55荧光分光光度计（美国PerkinElmer公司）中，测定其荧光值为23。
以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。

Claims (2)

1.微波加热合成硫氮共掺杂荧光碳点的方法，其特征在于具体步骤为：首先将质量比为22-61:100的乙二胺和质量浓度为98%的浓硫酸溶于蒸馏水中，搅拌混合均匀形成无色透明溶液；然后将无色透明溶液置于800W的微波炉中加热至少120s得到亮黑色泡沫状固体；再将亮黑色泡沫状固体溶于蒸馏水中并超声5分钟；最后将超声后的溶液用孔径为0.1μm的滤膜抽滤得到硫氮共掺杂荧光碳点溶液。
2.根据权利要求1所述的微波加热合成硫氮共掺杂荧光碳点的方法，其特征在于：微波炉加热时间优选为130s，乙二胺与质量浓度为98%的硫酸的质量比优选为27:100。
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