CN108822840B - 一种麻为碳源钕掺杂碳量子点复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种麻为碳源钕掺杂碳量子点复合材料的制备方法，其特征在于，首先，采用氯化钕与槲皮素反应制备得到槲皮素钕配合物；然后，在带有聚四氟乙烯衬套中反应釜中，按如下组成质量百分比加入，3‑甲基咪唑氯盐：93~96%，麻粉体：3~6%，再加入槲皮素钕配合物：0.5~1.5%，盖好密封盖，置于恒温箱中，温度在110±2℃恒温，反应6h，得到棕色透明液体，为钕掺杂碳量子点复合材料。该制备方法具有绿色环保，操作简单，掺杂稀土钕掺杂碳量子点复合材料不需要二次修饰既可以具有荧光性能稳定性高、尺寸小而均匀，生物相容性好等特点，稀土钕元素的掺杂使其荧光性能可提高60%左右。
Description
技术领域
本发明属于纳米发光材料制备技术领域，特别涉及一种麻为碳源钕掺杂碳量子点复合材料的制备方法及应用。
背景技术
碳量子点是继富勒烯、碳纳米管和石墨烯之后的一种新型零维碳纳米材料，具有优异的发光性能和良好的生物相容性，耐光漂白,无毒(低毒)且表面易功能化，被定义为理想的荧光标记和检测材料。碳量子点除自身具有广泛应用外,基于碳量子点复合材料的研究也是目前的热点课题。复合材料是由两种或两种以，上的不同材料复合而成，每种组成材料相互协同，不仅发挥各自的优势,还可拥有新的性能。因此,基于碳量子点复合材料的研究是碳量子点功能化的一个重要课题。碳量子点是以碳为骨架结构的纳米材料,是一种分散的、尺寸小于10nm的类球形纳米颗粒,一般包括纳米金刚石、碳颗粒和石墨烯量子点，也称碳点、碳纳米点、碳纳米晶。与各种金属量子点类似，碳量子点在光照情况下可以发出明亮的荧光。碳量子点是荧光碳纳米材料中最重要的一种,它具有独特的小尺寸特性和优越的荧光性质:碳量子点荧光明亮、稳定,激发光谱宽,发射光谱窄，且发射波长可通过改变材料的粒径大小和组成来调控，无光漂白现象,某些碳量子点还有，上转换荧光特性。为了合成生物相容性好、毒性低、荧光强的碳量子点,以促进碳量子点在生物医学领域得以发展和应用,选择有机自然生物作碳源合成碳量子点更可取。
资源短缺和环境污染已经成为当今世界的两大主要问题，因此，利用天然可再生资源，开发环境友好型产品和技术将成为可持续发展的必然趋势。本申请采用麻为碳量子点的碳源是天然高分子材料利用具有环保友好、生物兼容性、廉价等优点，是重要的生物资源，作为碳量子点碳源具有独特的性质。麻是一年生的草本植物，是最宝贵的生态资源之一，是一种可再生资源。目前全国麻的种植面积达300多万亩，是十分珍贵的纺织纤维原料。但在纺织过程中有2%左右的短纤维是废弃物，这些废弃物不能充分的利用是麻资源的严重浪费，也使企业所在地的环境受到污染。
离子液体具有的其他溶剂无法达到的优点，有高的热稳定性和化学稳定性；蒸汽压非常小，不挥发；容易回收并重复利用；电导率高；通过阴阳离子的特点可调节其对无机物、水、有机物及聚合物的溶解性；对大量物质都表现处良好的溶解能力，离子液体能够溶解纤维素，而且无毒、不挥发还易于回收，这给离子液体应用在纤维素研究领域开辟了新的方向，同时也给纤维纳米材料工业的发展带来了机遇。
稀土元素的原子具有未充满的受到外界屏蔽的4f5d电子组态，因此有丰富的电子能级和长寿命激发态，能级跃迁通道多达20余万个，可以产生多种多样的辐射吸收和发射，构成广泛的发光和激光材料。随着稀土分离、提纯技术的进步，以及相关技术的促进，稀土发光材料的研究和应用得到显著发展。发光是稀土化合物光、电、磁三大功能中最突出的功能，受到人们极大的关注。将不同稀土元素掺杂到碳量子点中，对其光学性能具有显著改善。
发明内容
本发明的目的在于提供一种麻为碳源钕掺杂碳量子点复合材料的制备方法。
一种麻为碳源钕掺杂碳量子点复合材料的制备方法，其特征在于，该方法具有以下工艺步骤：
（1）A溶液配置：在反应器中，按如下组成质量百分比加入，去离子水：95~98%，氯化钕：2~5%，加热搅拌溶解，冷却到室温，搅拌均匀，得到A溶液；
（2）B溶液配置：在反应器中，按如下组成质量百分比加入，甲醇：92~96%，槲皮素：4~8%，加热搅拌溶解，冷却到室温，搅拌均匀，得到B溶液；
（3）槲皮素钕配合物的制备：将B溶液置于反应器中，搅拌，温度升至65±2℃，将A溶液滴加到B溶液中，滴加完毕用体积百分浓度为15%的氨水调节其pH为8.5，在65±2℃恒温，搅拌反应8 h，可得到大量棕褐色沉淀，离心分离，用蒸馏水洗涤至中性后，再用甲醇洗涤2～3次。真空干燥得到槲皮素钕配合物；
（4）钕掺杂碳量子点复合材料的制备：在带有聚四氟乙烯衬套中反应釜中，按如下组成质量百分比加入， 3-甲基咪唑氯盐：93~96%，麻粉体：3 ~6%，再加入槲皮素钕配合物：0.5~1.5%，盖好密封盖，置于恒温箱中，温度在110±2℃恒温，反应6h，得到棕色透明液体，为钕掺杂碳量子点复合材料。
所述的氯化钕为含有6个结晶水的氯化钕。
所述的A溶液与B溶液的体积比在1：1.8~2.2之间
步骤（4）中所述的麻粉体为纺织厂废弃的短纤维麻或者废弃的麻绳麻袋用水洗净，剪碎，干燥后进行粉碎，用160目的筛子过筛，在质量百分浓度为10%硅酸钠+3%双氧水溶液中浸泡6 h，在煮沸20min，然后用水洗涤为中性，干燥，得到麻粉体。
所制备的钕掺杂碳量子点复合材料的荧光量子产率为32.62%，量子产率高。在波长390nm的激发波长下，能成功发射出的荧光（450 nm）。
本发明的有益效果是：
本申请采用3-甲基咪唑氯盐离子液体作为溶剂，溶解天然高分子纤维麻，废弃物再利用，绿色环保，操作简单，钕掺杂碳量子点复合材料不需要二次修饰既可以具有荧光性能稳定性高、尺寸小而均匀，生物相容性好等特点，稀土钕掺杂使其荧光性能可提高60%左右。
附图说明
图1为本申请所制备的钕掺杂碳量子点复合材料的透射电镜图。
图2为本申请所制备的不同浓度钕掺杂碳量子点复合材料的荧光发射光谱图；
图中曲线为从上到下为钕掺杂碳量子点复合材料浓度分别为：100，80，60，40，20（μmol/L）。
具体实施方式
实施例1
（1）A溶液配置：在反应器中，分别加入，去离子水：97 mL，氯化钕：3g，加热搅拌溶解，冷却到室温，搅拌均匀，得到A溶液；
（2）B溶液配置：在反应器中，分别加入，甲醇：120mL，槲皮素：5g20 mL，加热搅拌溶解，冷却到室温，搅拌均匀，得到B溶液；
（3）槲皮素钕配合物的制备：将40 mL B溶液置于反应器中，搅拌，温度升至65±2℃，将20 mL A溶液滴加到B溶液中，滴加完毕用体积百分浓度为15%的氨水调节其pH为8.5，在65±2℃恒温，搅拌反应8 h，可得到大量棕褐色沉淀，离心分离，用蒸馏水洗涤至中性后，再用甲醇洗涤2～3次。真空干燥得到槲皮素钕配合物；
（4）钕掺杂碳量子点复合材料的制备：在带有聚四氟乙烯衬套中反应釜中，分别加入， 3-甲基咪唑氯盐：94g，麻粉体：5g，再加入槲皮素钕配合物1.0g，盖好密封盖，置于恒温箱中，温度在110±2℃恒温，反应6h，得到棕色透明液体，为钕掺杂碳量子点复合材料。
实施例2
（1）A溶液配置：在反应器中，分别加入，去离子水：95 mL，氯化钕：5g，加热搅拌溶解，冷却到室温，搅拌均匀，得到A溶液；
（2）B溶液配置：在反应器中，分别加入，甲醇：116mL，槲皮素：8g，加热搅拌溶解，冷却到室温，搅拌均匀，得到B溶液；
（3）槲皮素钕配合物的制备：将36 mL B溶液置于反应器中，搅拌，温度升至65±2℃，将20 mL A溶液滴加到B溶液中，滴加完毕用体积百分浓度为15%的氨水调节其pH为8.5，在65±2℃恒温，搅拌反应8 h，可得到大量棕褐色沉淀，离心分离，用蒸馏水洗涤至中性后，再用甲醇洗涤2～3次。真空干燥得到槲皮素钕配合物；
（4）钕掺杂碳量子点复合材料的制备：在带有聚四氟乙烯衬套中反应釜中，分别加入， 3-甲基咪唑氯盐：93g，麻粉体：5.5g，再加入槲皮素钕配合物1.5g，盖好密封盖，置于恒温箱中，温度在110±2℃恒温，反应6h，得到棕色透明液体，为钕掺杂碳量子点复合材料。
实施例3
（1）A溶液配置：在反应器中，分别加入，去离子水：98 mL，氯化钕：2g，加热搅拌溶解，冷却到室温，搅拌均匀，得到A溶液；
（2）B溶液配置：在反应器中，分别加入，甲醇：122mL，槲皮素：4g，加热搅拌溶解，冷却到室温，搅拌均匀，得到B溶液；
（3）槲皮素钕配合物的制备：将44 mL B溶液置于反应器中，搅拌，温度升至65±2℃，将20 mL A溶液滴加到B溶液中，滴加完毕用体积百分浓度为15%的氨水调节其pH为8.5，在65±2℃恒温，搅拌反应8 h，可得到大量棕褐色沉淀，离心分离，用蒸馏水洗涤至中性后，再用甲醇洗涤2～3次。真空干燥得到槲皮素钕配合物；
（4）钕掺杂碳量子点复合材料的制备：在带有聚四氟乙烯衬套中反应釜中，分别加入， 3-甲基咪唑氯盐：96g，麻粉体：3.5g，再加入槲皮素钕配合物0.5g，盖好密封盖，置于恒温箱中，温度在110±2℃恒温，反应6h，得到棕色透明液体，为钕掺杂碳量子点复合材料。
实施例4
（1）A溶液配置：在反应器中，分别加入，去离子水：96 mL，氯化钕：4g，加热搅拌溶解，冷却到室温，搅拌均匀，得到A溶液；
（2）B溶液配置：在反应器中，分别加入，甲醇：118mL，槲皮素：7g，加热搅拌溶解，冷却到室温，搅拌均匀，得到B溶液；
（3）槲皮素钕配合物的制备：将95 mL B溶液置于反应器中，搅拌，温度升至65±2℃，将50 mL A溶液滴加到B溶液中，滴加完毕用体积百分浓度为15%的氨水调节其pH为8.5，在65±2℃恒温，搅拌反应8 h，可得到大量棕褐色沉淀，离心分离，用蒸馏水洗涤至中性后，再用甲醇洗涤2～3次。真空干燥得到槲皮素钕配合物；
（4）钕掺杂碳量子点复合材料的制备：在带有聚四氟乙烯衬套中反应釜中，分别加入， 3-甲基咪唑氯盐：94g，麻粉体：4.8g，再加入槲皮素钕配合物1.2g，盖好密封盖，置于恒温箱中，温度在110±2℃恒温，反应6h，得到棕色透明液体，为钕掺杂碳量子点复合材料。
实施例5
钕掺杂碳量子点复合材料荧光产率的测量:选择了参比法：选择稀硫酸为溶剂，将硫酸奎宁溶解在0.1mol/LH2SO4溶液中（可以增加硫酸奎宁的溶解度）形成硫酸奎宁的酸溶液，然后于紫外可见分光光度计中测量碳纳米点和硫酸奎宁酸溶液在固定激发波长处的吸光度。最后于荧光光谱仪中测量碳纳米点和硫酸奎宁酸溶液在给定激发波长下的荧光发射光谱图，得到荧光积分面积。按照公式计算荧光量子产率：
其中代表计算得到的待测物的量子产率；I是测得待测物的荧光积分面积（耦合
的荧光强度），θ代表待测样品物质的溶剂的折射率。代表参照物的量子产率；Is 代表测
得的参照物的荧光积分面积（耦合的荧光强度）；δ代表测得的参照物的溶剂的折射率, 通
过测量未掺杂稀土钕的碳量子点在390nm的激发波长下，能成功发射出的荧光（450 nm）的
量子产率为20.42%，而钕掺杂碳量子点复合材料的荧光量子产率为32.62%，量子产率提高
近60%。
Claims (3)
1.一种麻为碳源钕掺杂碳量子点复合材料的制备方法，其特征在于，该方法具有以下工艺步骤：
(1)A溶液配置：在反应器中，按如下组成质量百分比加入，去离子水：95～98％，氯化钕：2～5％，加热搅拌溶解，冷却到室温，搅拌均匀，得到A溶液；
(2)B溶液配置：在反应器中，按如下组成质量百分比加入，甲醇：92～96％，槲皮素：4～8％，加热搅拌溶解，冷却到室温，搅拌均匀，得到B溶液；
(3)槲皮素钕配合物的制备：将B溶液置于反应器中，搅拌，温度升至65±2℃，将A溶液滴加到B溶液中，A溶液与B溶液的体积比在1：1.8～2.2之间，滴加完毕用体积百分浓度为15％的氨水调节其pH为8.5，在65±2℃恒温，搅拌反应8h，可得到大量棕褐色沉淀，离心分离，用蒸馏水洗涤至中性后，再用甲醇洗涤2～3次，真空干燥得到槲皮素钕配合物；
(4)钕掺杂碳量子点复合材料的制备：在带有聚四氟乙烯衬套中反应釜中，按如下组成质量百分比加入，3-甲基咪唑氯盐：93～96％，麻粉体：3～6％，再加入槲皮素钕配合物：0.5～1.5％，盖好密封盖，置于恒温箱中，温度在110±2℃恒温，反应6h，得到棕色透明液体，为钕掺杂碳量子点复合材料；
步骤(4)中所述的麻粉体为纺织厂废弃的短纤维麻或者废弃的麻绳麻袋用水洗净，剪碎，干燥后进行粉碎，用160目的筛子过筛，在质量百分浓度为10％硅酸钠+3％双氧水溶液中浸泡6h，在煮沸20min，然后用水洗涤为中性，干燥，得到麻粉体。
2.根据权利要求1所述的一种麻为碳源钕掺杂碳量子点复合材料的制备方法，其特征在于，所述的氯化钕为含有6个结晶水的氯化钕。
3.根据权利要求1所述的一种麻为碳源钕掺杂碳量子点复合材料的制备方法所制备的钕掺杂碳量子点复合材料。
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