CN109385275A - 一种利用有机质厌氧发酵中间产物作为碳基材料制备荧光碳量子点的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用有机质厌氧发酵中间产物作为碳基材料制备荧光碳量子点的方法，其是以有机质厌氧发酵中间产物溶液作为碳基材料，加入液态氮源和超纯水后，进行水热反应，获得目标产物荧光碳量子点。本发明制备荧光碳量子点的方法，原料来源广泛且能资源化利用、反应条件温和、操作简单、无须强酸与钝化剂处理，有利于有机质厌氧发酵中间产物的资源化增值利用以及荧光碳量子点的大批量生产应用。

Description

一种利用有机质厌氧发酵中间产物作为碳基材料制备荧光碳 量子点的方法

技术领域

本发明涉及一种利用有机质厌氧发酵中间产物作为碳基材料制备荧光碳量子点的方法，属于废弃物资源化转化领域。

背景技术

荧光碳量子点(carbon quantum dots，CQDs)，起源于2004年，由Xu等(Xu X,RayR,Gu Y,et al.Electrophoretic analysis and purification of fluorescent single-walled carbon nanotube fragments.[J].Journal of the American ChemicalSociety,2004,126(40):12736-7.)在单壁碳纳米管的提纯过程中首次获得。CQDs泛指一种粒径小于10nm、具有石墨晶型或类金刚石结构的新型荧光碳纳米材料，是以碳为基本骨架、表面含有大量含氧基团的单分散类球形纳米颗粒，也是继富勒烯、碳纳米管、石墨烯之后最受关注的新型碳纳米材料之一。荧光碳量子点材料具有制备简单、光稳定性好、生物相容性好、激发发射波长的依赖性等优点，因此在环境监测、重金属的去除、生物成像、催化剂等方面有着广泛的应用前景。

荧光碳量子点的制备方法目前主要包括电弧放电法、激光烧蚀法、电化学法、超声处理法、有机物碳化法、模板法、微波法、水热合成法以及燃烧法等。电弧放电法纯化过程复杂，且产率较低，收集产物比较困难，具有较大氧含量，无需表面修饰。激光烧蚀法所用设备昂贵，且需要添加有机溶剂来修饰碳量子点的表面态。电化学法获得的荧光纳米颗粒具有更加细小的粒径，但在制备过程中由于氧化作用，增加了碳纳米管表面的缺陷。超声处理法对碳量子点设备的要求比较低，容易操作，且价格便宜，但是得到的碳量子点材料的性能不够稳定。有机物碳化法采用有机物前驱体碳化的方法制备碳量子点，不仅可以发射出荧光，还可以使油溶性或水溶性的碳量子点表面功能化，但是有机物碳化法不仅具有不稳定的荧光量子产率，生成的碳量子点中还有很多的氧，通常还要进行钝化操作。模板法具有比表面积高、空隙均匀、容积率高的优点，但是模板法很难将碳量子点与支持体分离，同时所得产物分布较窄，必须通过超声处理才能将其分散于水中。燃烧法的优点是设备简单、操作过程容易，且可重复操作，缺点是很难控制粒径分布。微波技术是一种能量集中、反应快、效率高且均匀的制备技术，在化学合成领域应用非常多；水热法的优点是控制简单、过程容易，同时反应釜可以有效减少有机物的挥发，且不同的溶剂制得的碳量子点具有不同的性质。因此，微波法和水热法是目前应用较为广泛的荧光碳量子点材料的制备方法。

除了制备方法的差异，碳基材料的选择也是影响荧光碳量子点材料量产和性能稳定的关键因素之一。专利公开号为CN101973541A的发明专利提供了一种活性炭中提取碳量子点的方法，采用活性炭粉作为碳源，经过化学氧化过程及后续的蒸发、中和、离心、超滤处理即可得到大量的碳量子点。专利公开号为CN102973948B的发明专利涉及一种基于磁性碳量子点/壳聚糖复合微球的药物载体的制备方法，是以葡萄糖与聚乙二醇混合液为碳基材料通过微波辐射反应制备碳量子点，通过静电吸附作用形成磁性碳量子点复合微粒。专利公开号为CN103771390B的发明专利公开了一种以柠檬酸、柠檬酸盐、葡萄糖、果糖或者直链淀粉为碳前躯体，通过生物活性酶辅助微波法合成超强荧光碳量子点的方法。专利公开号为CN104031642B的发明专利提供了一种高量子产率的荧光碳量子点及其制备方法，其是以壳聚糖为碳源，加入冰醋酸和乙二胺作为钝化剂。专利公开号为CN104087296B的发明专利公开了一种激光辐照制备荧光碳量子点的方法，其是以苯、取代苯或多苯环化合物中的一种为碳源。专利公开号为CN104629760B和CN104927847B的发明专利分别利用金华佛手和黑木耳作为碳源通过水热合成法制备碳量子点。专利公开号为CN104759283A的发明专利公开了一种基于铜络合物的碳量子点及其制备方法。专利公开号为CN105694879B的发明专利提供了一种有机废水制备碳量子点及其混凝回收方法，其是以有机废水为碳源，将微波炉为反应平台，制备碳量子点，应用混凝技术回收量子点材料。专利公开号为CN106829921A的发明专利提供了一种硫掺杂的碳量子点制备方法，其是以半胱氨酸盐酸盐为碳基材料。专利公开号为CN107446578A的发明专利提供了一种氮掺杂的碳量子点材料制备方法，其是以果皮和聚乙烯亚胺为碳源和氮源。此外，现有合成碳量子点的碳基材料还有苹果酸、三氯甲烷、石墨粉、粘土、乙醇、蜡烛烟灰、十八胺、柠檬酸、淀粉、有机废水、壳聚糖、葡萄糖、天然气灰、花粉、果糖、戊二醛、丙三醇、香烃化合物等。上述碳基材料的部分原料是不可再生能源，部分原料成本高昂不利于持续并规模生产碳量子点；而有机废水等由于其复杂性，合成的碳量子点材料性能不稳定且需要严格的后处理工艺。因此，寻找一种廉价易得性质稳定的碳基材料有助于减少碳量子点材料的生产成本，推动该新材料在多个领域的广泛应用。

厌氧发酵是通过多种微生物的相互作用和制约，在厌氧环境下将有机物降解为二氧化碳和清洁能源甲烷的过程。有机质厌氧发酵的三阶段理论中的第一阶段是由兼性厌氧类微生物和厌氧菌作用的水解发酵阶段。在水解酸化细菌胞外酶的作用下，有机物被分解成脂肪酸和氨基酸等小分子物质，随后由产酸菌将这些小分子继续分解，转化成低级醇类和短链挥发性脂肪酸，如丙酸、丁酸等。第二阶段为产氢产乙酸阶段，在这个阶段中主要是产氢产乙酸过程和同型产乙酸过程。这一过程是将第一阶段的低级醇类和短链脂肪酸进一步分解为乙酸等。因此，在有机质厌氧发酵前两阶段所排出的废水，也即中间产物溶液中富含包括甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸以及它们的异构体的短链挥发性脂肪酸(VFAs)。如：丙酸的厌氧发酵中间过程中的代谢产物为多种有机酸的混合物。利用废糖蜜溶液、废甘油溶液、蛋白质废液和淀粉废水厌氧发酵均可产酸。蛋白废液产的VFAs中，除含有乙酸和正丁酸外，还含有一定量的异戊酸。维生素B12是由发酵法生产的，一般采用丙酸杆菌厌氧发酵生产工艺，在发酵过程中丙酸杆菌除了产生维生素B12外，还产生副产物丙酸和乙酸。VFAs是有机物厌氧发酵过程的中间产物，也是很多化学品合成的前体物质，廉价易得、成分稳定。

因此，利用有机质厌氧发酵中间产物作为碳基材料制备荧光碳量子点，有利于降低制备成本，实现可持续的量化生产，提高荧光碳量子点材料性能的稳定性。考虑到荧光碳量子点的优良性质与广阔应用前景，利用有机废弃物厌氧发酵中间产物作为碳基材料制备荧光碳量子点能够实现废物的资源化利用，有很大的增值空间。利用有机废弃物厌氧发酵中间产物作为碳基材料制备荧光碳量子点的技术尚未见公开报道。

发明内容

为了避免上述现有技术的不足之处，本发明提供了一种利用有机质厌氧发酵中间产物作为碳基材料制备荧光碳量子点的方法。

本发明解决技术问题，采用如下技术方案：

本发明公开了一种利用有机质厌氧发酵中间产物作为碳基材料制备荧光碳量子点的方法，其是以有机质厌氧发酵中间产物溶液作为碳基材料，经过滤后，加入液态氮源和超纯水并搅拌均匀，在160-220℃下水热反应4-10h，所得反应液经过滤、透析后，再经真空冷冻干燥，即获得目标产物荧光碳量子点。具体包括如下步骤：

(1)将有机质厌氧发酵中间产物溶液在8000rpm下离心5min，所得上清液过0.22μm的滤膜，取滤液；

(2)将滤液置于聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压反应釜中，加入氮源溶液和超纯水，充分搅拌均匀，获得混合溶液；

(3)将装有混合溶液的反应釜置于密闭加热装置中，160-220℃下反应4-10h；

(4)反应结束后，取出反应釜，自然冷却，所得反应液倒入离心管中，8000rpm离心5min，所得上清液用0.22μm的滤膜过滤，得到过滤后反应液；

(5)将所述过滤后反应液倒入3500Da的透析袋，每6h换一次水，在玻璃容器中透析3-5天，得到荧光碳量子点的水溶液；

(6)对所述荧光碳量子点的水溶液进行真空冷冻干燥，即得到荧光碳量子点粉末。

进一步地，所述有机质厌氧发酵中间产物溶液为醇类、丙酸、丁酸钠、维生素B12、淀粉、蓝藻、美人蕉、芦苇或蒲草等的厌氧发酵中间产物。有机质厌氧发酵中间产物主要为挥发性脂肪酸。

进一步地，所述液态氮源为氨水、乙二胺或质量浓度为20-30％的尿素溶液。

进一步地，所述滤液、液态氮源和超纯水的体积比为5-15：0.5-2：3-14.5。

进一步地，所述的密闭加热装置为马弗炉、管式炉或电热鼓风干燥箱。

进一步地，所述真空冷冻干燥的温度为-80℃。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明制备荧光碳量子点的方法，反应条件温和、操作简单、无须强酸与钝化剂处理，有利于荧光碳量子点的大批量生产应用。

2、本发明利用有机质厌氧发酵中间产物作为碳基材料制备荧光碳量子点，碳基底物廉价易得，且利用厌氧发酵中间产物还可以实现废弃物的资源化增值利用，

3、本发明利用有机质厌氧发酵中间产物作为碳基材料制备荧光碳量子点，拓展了有机质厌氧发酵工艺过程，有望实现厌氧发酵工艺的“零排放”。

附图说明

图1为实施例1制备的荧光碳量子点的紫外-可见吸收光谱(ABS)、荧光激发(EX)和荧光发射光谱(EM)；

图2为实施例1制备的荧光碳量子点在300～400nm激发波长下的荧光发射光谱；

图3为实施例1制备的荧光碳量子点的红外光谱图；

图4为实施例1制备的荧光碳量子点的透射电镜(图4(a))和粒径分布图(图4(b))；

图5为实施例1制备的荧光碳量子点的XRD光谱图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做详细说明，下述实施例给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例以丁酸钠厌氧发酵的中间废液为原料，其富含丁酸、丙酸、乙酸等短链挥发性脂肪酸(VFAs)，是良好的碳基材料，因而可以用来制备荧光碳量子点。具体步骤如下：

(1)将丁酸钠厌氧发酵中间废液于离心管中，8000rpm离心5min，所得上清液过0.22μm的滤膜，取滤液；

(2)取10mL滤液于聚四氟乙烯反应釜中，随后加入0.5mL乙二胺和9.5mL超纯水，充分搅拌均匀，获得混合溶液；

(3)将聚四氟乙烯反应釜置于电热鼓风干燥箱中，220℃反应6h，得到淡黄色溶液；

(4)取出反应釜，自然冷却，将淡黄色溶液转移至离心管，经8000rpm离心5min，所得上清液用0.22μm的滤膜过滤，得到过滤后反应液；

(5)将过滤后反应液转移至3500Da的透析袋中，每6h换一次水，透析3天，得到纯净的荧光碳量子点的水溶液；

(6)将荧光碳量子点的水溶液置于-20℃冰箱中冷冻，再转移至真空冷冻干燥机，-80℃下真空冷冻干燥1天，得到荧光碳量子点固态粉末。

图1为本实施例所得产物的紫外-可见吸收光谱(ABS)、荧光激发(EX)和荧光发射光谱(EM)，图中显示合成的荧光碳量子点在268nm和312nm左右各有一个典型的吸收峰。268nm处的吸收峰对应C＝O的n→π*跃迁，而在312nm处明显的吸收峰则是由于表面缺陷态的n→π*跃迁所致。该荧光碳量子点的最佳激发峰位为382nm，所对应的最佳发射峰位为459nm，且发射峰的半峰宽较窄(75nm)。

图2为本实施例所得产物在300～400nm激发波长下的荧光发射光谱，可以看出，在300～400nm的激发光激发下，发射峰从420nm轻微红移至470nm，且荧光强度因激发光而变化，这说明碳量子点具有激发光依赖性荧光发射现象。这一现象是由表面附加基团(C＝O/C-NH2)(表面态)的π*→n跃迁导致的，这与吸收光谱的吸收峰(n→π*跃迁)相对应。从图2，即荧光发射光谱能够看出，荧光碳量子点的发射为蓝光区域。

图3为本实施例所得产物的红外吸收光谱。从图中可以看到特征吸收峰CON-H的弯曲振动(1560cm^-1和3294cm^-1)和酰胺基CO-N(1365cm^-1)的拉伸振动，表明在该荧光碳量子点上存在着氨基官能团。此外，检测到C＝O(1650cm^-1)、C-N(1444cm^-1)、O-H(1321cm^-1)、C-H(2935cm^-1)、C-O(1105cm^-1)和C-O-C(1043cm^-1)所对应的吸收峰。这些基团来于挥发性脂肪酸和氮源。上图表明酰胺键已形成，这与羧基和氨基之间的脱水和缩合反应有关，说明氮源是一种掺杂剂和表面钝化剂，促进了荧光碳量子点的形成。

图4为本实施例所得产物的TEM(图4(a))和粒径分布图(图4(b))。从荧光碳量子点的TEM图可以看出，该荧光碳量子点是单分散性较好的黑色颗粒；高分辨透射电镜的结果表明大多数颗粒为无晶态碳颗粒；从粒径分布来看，该荧光碳量子点的粒径为3.0～6.5nm，平均粒径为4.2nm左右。

图5为本实施例所得产物的XRD谱，图谱显示出一个25°(0.34nm)左右的宽峰，这是由于高度无序的碳原子造成的，说明合成的荧光碳量子点处于高度无序状态，这与TEM图的结果相对应。

实施例2

蓝藻厌氧发酵过程的产酸过程是将溶解性单体或二聚体形式的有机物转化为以短链脂肪酸或醇为主的末端产物。这些水解成的单体会进一步被微生物降解成挥发性脂肪酸、乳酸、醇、氨等酸化产物和氢、二氧化碳，并分泌到细胞外。本实施例取蓝藻厌氧发酵酸化过程的中间废液进行实验，具体步骤如下：

(1)取蓝藻厌氧发酵中间废液于离心管中，8000rpm离心5min，所得上清液过0.22μm的滤膜，取滤液；

(2)取15mL滤液于聚四氟乙烯反应釜中，随后加入2mL乙二胺和3mL超纯水，充分搅拌均匀，获得混合溶液；

(3)将聚四氟乙烯反应釜置于电热鼓风干燥箱中，200℃反应8h，得到黑色溶液；

(4)取出反应釜，自然冷却，将黑色溶液转移至离心管，经8000rpm离心5min，所得上清液用0.22μm的滤膜过滤，得到过滤后反应液；

(5)将过滤后反应液转移至3500Da的透析袋中，每6h换一次水，透析3天，得到纯净的荧光碳量子点的水溶液；

(6)将荧光碳量子点的水溶液置于-20℃冰箱中冷冻，再转移至真空冷冻干燥机，-80℃下真空冷冻干燥1天，得到荧光碳量子点固态粉末。

经表征，本实施例所得荧光碳量子点的荧光性质与实施例1相似。

实施例3

瘤胃微生物常被用来厌氧消化纤维素类物质、农业残留废弃物和水生植物等，在以瘤胃微生物为主导的厌氧消化反应器中，主要的过程中间产物为有机酸。本实施例取人蕉瘤胃微生物厌氧发酵中间废液进行实验，具体步骤如下：

(1)将美人蕉瘤胃微生物厌氧发酵中间废液于离心管中，8000rpm离心5min，所得上清液过0.22μm的滤膜，取滤液；

(2)取10mL滤液于聚四氟乙烯反应釜中，随后加入1mL乙二胺和9mL超纯水，充分搅拌均匀，获得混合溶液；

(3)将聚四氟乙烯反应釜置于电热鼓风干燥箱中，200℃反应10h，得到黑色溶液；

(4)取出反应釜，自然冷却，将黑色溶液转移至离心管，经8000rpm离心5min，所得上清液用0.22μm的滤膜过滤，得到过滤后反应液；

(5)将过滤后反应液转移至3500Da的透析袋中，每6h换一次水，透析3天，得到纯净的荧光碳量子点的水溶液；

(6)将荧光碳量子点的水溶液置于-20℃冰箱中冷冻，再转移至真空冷冻干燥机，-80℃下真空冷冻干燥1天，得到荧光碳量子点固态粉末。

经表征，本实施例所得荧光碳量子点的荧光性质与实施例1相似。

Claims (8)

1.一种利用有机质厌氧发酵中间产物作为碳基材料制备荧光碳量子点的方法，其特征在于：是以有机质厌氧发酵中间产物溶液作为碳基材料，加入液态氮源和超纯水后，进行水热反应，获得目标产物荧光碳量子点。

2.根据权利要求1所述的一种利用有机质厌氧发酵中间产物作为碳基材料制备荧光碳量子点的方法，其特征在于：将作为碳基材料的有机质厌氧发酵中间产物溶液过滤后，加入液态氮源和超纯水并搅拌均匀，在160-220℃下水热反应4-10h，所得反应液经过滤、透析后，再经真空冷冻干燥，即获得目标产物荧光碳量子点。

3.根据权利要求2所述的一种利用有机质厌氧发酵中间产物作为碳基材料制备荧光碳量子点的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将有机质厌氧发酵中间产物溶液在8000rpm下离心5min，所得上清液过0.22μm的滤膜，取滤液；

(2)将滤液置于聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压反应釜中，加入氮源溶液和超纯水，充分搅拌均匀，获得混合溶液；

(3)将装有混合溶液的反应釜置于密闭加热装置中，160-220℃下反应4-10h；

(4)反应结束后，取出反应釜，自然冷却，所得反应液倒入离心管中，8000rpm离心5min，所得上清液用0.22μm的滤膜过滤，得到过滤后反应液；

(5)将所述过滤后反应液倒入3500Da的透析袋，在玻璃容器中透析3-5天，得到荧光碳量子点的水溶液；

(6)对所述荧光碳量子点的水溶液进行真空冷冻干燥，即得到荧光碳量子点粉末。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种利用有机质厌氧发酵中间产物作为碳基材料制备荧光碳量子点的方法，其特征在于：所述有机质厌氧发酵中间产物溶液为醇类、丙酸、丁酸钠、维生素B12、淀粉、蓝藻、美人蕉、芦苇或蒲草的厌氧发酵中间产物。

5.根据权利要求1、2或3所述的一种利用有机质厌氧发酵中间产物作为碳基材料制备荧光碳量子点的方法，其特征在于：所述液态氮源为氨水、乙二胺或质量浓度为20-30％的尿素溶液。

6.根据权利要求2或3所述的一种利用有机质厌氧发酵中间产物作为碳基材料制备荧光碳量子点的方法，其特征在于：所述滤液、液态氮源和超纯水的体积比为5-15：0.5-2：3-14.5。

7.根据权利要求3所述的一种利用有机质厌氧发酵中间产物作为碳基材料制备荧光碳量子点的方法，其特征在于：所述的密闭加热装置为马弗炉、管式炉或电热鼓风干燥箱。

8.根据权利要求2或3所述的一种利用有机质厌氧发酵中间产物作为碳基材料制备荧光碳量子点的方法，其特征在于：所述真空冷冻干燥的温度为-80℃。