CN109762559A - 一种基于离子液体的氮掺杂碳量子点的制备方法 - Google Patents

一种基于离子液体的氮掺杂碳量子点的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及碳量子点技术领域，具体公开一种离子液体在制备氮掺杂碳量子点中的应用，所述离子液体由摩尔比为5‑10:1的醇类化合物与氨基酸制得。所述离子液体与含氮化合物形成氮掺杂离子液体，在离子液体的基础上合成氮掺杂的碳量子点。本发明提供的碳量子点以醇类化合物、氨基酸及含氮化合物为主要原料，成本低廉，绿色环保，在离子液体的基础上合成氮掺杂的碳量子点，物料利用率高，量子点分散性好。

Description

一种基于离子液体的氮掺杂碳量子点的制备方法
技术领域
本发明涉及碳量子点技术领域，尤其涉及一种基于离子液体的氮掺杂碳量子点的制备方法
背景技术
碳量子点是一种新型的碳基零维材料。碳量子点具有优秀的光学性质，良好的水溶性、低毒性、环境友好、原料来源广、成本低、生物相容性好等诸多优点。传统碳量子点一般采用原料直接加入，目前能实际应用的方法主要包括：电弧放电法、激光销蚀法、电化学合成法、化学氧化法、燃烧法、水热合成法、微波合成法、模板法等。目前碳量子点的制备过程中，存在原料利用率低，原料浪费，分散性差，易对环境造成污染等问题。因此，研发一种生产成本低，原料利用率高，制备工艺环境友好的碳量子点及其制备方法具有重要的意义。
发明内容
针对现有碳量子点制备过程中存在的原料利用率低，污染环境，分散性差等问题，本发明提供一种基于离子液体的氮掺杂碳量子点的制备方法。
为达到上述发明目的，本发明实施例采用了如下的技术方案：
一种离子液体在制备氮掺杂碳量子点中的应用，所述离子液体由摩尔比为5-10:1的醇类化合物与氨基酸制得。
具体地，醇类化合物与氨基酸摩尔比为5-10:1，保证彼此间化学键的结合进而形成具有较好化学稳定性的离子液体。
进一步地，所述离子液体的制备方法为：将所述醇类化合物与氨基酸混合后，升温至90-110℃，恒温反应直至体系均一透明，得到离子液体。
进一步地，所述恒温反应时间为1-20h。
进一步地，所述醇类化合物为如下通式CnH2n+2Ox中的至少一种，其中，1≤n≤10，1≤x≤n。
进一步地，所述氨基酸为如下通式RCHNH2COOH中的至少一种，其中，R为C2-C6链烯基、C1～C4取代烷基或未取代烷基、杂环、芳香基或环烷基，所述所述C1～C4取代烷基的取代基为羟基、羧基、巯基、氨基、胍基或苯基中的一种，如L-谷氨酸、L-精氨酸、苯丙氨酸、L-脯氨酸或L-羟脯氨酸中的一种或几种。
本发明还提供了一种基于离子液体的氮掺杂碳量子点的制备方法，包括以下步骤：
(1)将上述离子液体与含氮化合物进行混合后，升温至90-110℃，恒温反应直至含氮化合物全部溶解，得到氮掺杂离子液体，所述含氮化合物为脂肪胺、脂环胺、醇胺、酰胺或酰胺衍生物；
(2)将所述氮掺杂离子液体与去离子水以质量比为1-2:30混合后，经加热、抽滤处理，得到基于离子液体的氮掺杂碳量子点。
具体地，通过调控离子液体与去离子水的配比，进行水热反应，进行碳量子点的合成及碳量子点表面基团的生成，改善碳量子点的化学性能。
进一步地，所述离子液体与含氮化合物的质量比为2-4:1。
进一步地，所述所述含氮化合物为尿素、乙二胺、乙醇胺或二乙烯三胺中的至少一种。
进一步地，步骤(1)中，恒温反应时间为1-3h，步骤(2)中，加热温度为180-230℃，时间为8-13h，保证反应的充分进行。
进一步地，步骤(2)中，所述基于离子液体的氮掺杂碳量子点经冷冻干燥处理得到固体状态的碳量子点。
进一步地，所述冷冻干燥处理的真空度为5-20Pa，温度为-60～-50℃，时间为60-84h。
相对于现有技术，本发明提供的离子液体在氮掺杂碳量子点中的应用，，以醇类化合物、氨基酸为主要原料，醇类化合物与氨基酸形成化学稳定性良好的离子液体，用于制备氮掺杂碳量子点，成本低廉，绿色环保；氮掺杂碳量子点的制备方法，在离子液体加入含氮化合物，形成氮掺杂离子液体，在离子液体的基础上合成氮掺杂的碳量子点，提高碳量子点的分散性，此外，离子液体体系均一性好，反应物接触更充分，有利于量子点合成产率的提高，且氨基酸和含氮化合物在合成量子点过程中，同时提供碳源和氮源，提高物料利用率，减少物料的浪费，降低成本。本发明中的制备方法工艺简单，操作方便，所得碳量子点光、热等稳定性好，该方法具有很好的经济、环境和社会效益。
附图说明
图1为本发明实施例提供的氮掺杂碳量子点的粒径分布图；
图2为本发明实施例提供的氮掺杂碳量子点的TEM图；
图3为本发明实施例提供的氮掺杂碳量子点的荧光谱图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种基于离子液体的氮掺杂碳量子点的制备方法，其中，所用离子液体与尿素的质量比为2.9:1，离子液体由摩尔比为6:1的丙三醇与L-精氨酸组成，具体包括以下步骤：
(1)将0.06mol(5.53g)丙三醇与0.01mol(1.74g)L-精氨酸进行混料处理，升温至110℃，恒温反应5h，使体系均一透明，得到离子液体；
(2)将2.51g尿素与上述离子液体进行混料处理，升温至110℃，恒温反应1h，使含氮化合物全部溶解，得到氮掺杂离子液体；
(3)将1g所述氮掺杂离子液体与30g去离子水进行混料处理，加入到50ml聚四氟乙烯水热釜，于200℃进行水热反应10h，采用孔径为0.22um的滤纸进行砂芯抽滤，去除大颗粒杂质，得到基于离子液体的氮掺杂碳量子点；
(4)将得到的氮掺杂碳量子点在-55℃，12Pa真空度下低温冷冻干燥72h，最终得到固体状态的碳量子点。
实施例2
一种基于离子液体的氮掺杂碳量子点的制备方法，其中，所用离子液体与尿素的质量比为2.9:1，离子液体由摩尔比为5:1的乙二醇与L-精氨酸组成，具体包括以下步骤：
(1)将0.1mol(6.21g)乙二醇与0.02mol(3.48g)L-精氨酸进行混料处理，升温至90℃，恒温反应1h，使体系均一透明，得到离子液体；
(2)将3.34g尿素与所述离子液体进行混料处理，升温至90℃，恒温反应3h，使含氮化合物全部溶解，得到氮掺杂离子液体；
(3)将1g氮掺杂离子液体与30g去离子水进行混料处理，加入到50ml聚四氟乙烯水热釜，于200℃进行水热反应10h、采用孔径为0.22um的滤纸进行砂芯抽滤，去除大颗粒杂质，得到基于离子液体的氮掺杂碳量子点；
(4)将得到的氮掺杂碳量子点在-50℃，12Pa真空度下低温冷冻干燥76h，最终得到固体状态的碳量子点。
实施例3
一种基于离子液体的氮掺杂碳量子点的制备方法，其中，所用离子液体与尿素的质量比为3:1，离子液体由摩尔比为5-10:1的丙三醇与L-谷氨酸组成，具体包括以下步骤：
(1)将0.16mol(14.81g)丙三醇与0.02mol(2.94g)L-谷氨酸进行混料处理，升温至110℃，恒温反应20h，使体系均一透明，得到离子液体；
(2)将5.92g尿素与所述离子液体进行混料处理，升温至110℃，恒温反应1h，使含氮化合物全部溶解，得到氮掺杂离子液体；
(3)将1.2g氮掺杂离子液体与30g去离子水进行混料处理，加入到50ml聚四氟乙烯水热釜，于210℃进行水热反应21h、采用孔径为0.22um的滤纸进行砂芯抽滤，去除大颗粒杂质，得到基于离子液体的氮掺杂碳量子点；
(4)将得到的氮掺杂碳量子点在-50℃，15Pa真空度下低温冷冻干燥80h，最终得到固体状态的碳量子点。
实施例4
一种基于离子液体的氮掺杂碳量子点的制备方法，其中，所用离子液体与乙醇胺的质量比为3.1:1，离子液体由摩尔比为6:1的丙三醇与L-精氨酸组成，具体包括以下步骤：
(1)将0.06mol(5.53g)丙三醇与0.01mol(1.74g)L-精氨酸进行混料处理，升温至110℃，恒温反应5h，使体系均一透明，得到离子液体；
(2)将2.35g乙醇胺与所述离子液体进行混料处理，升温至100℃，恒温反应1.5h，使含氮化合物全部溶解，得到氮掺杂离子液体；
(3)将1.2g氮掺杂离子液体与30g去离子水进行混料处理，加入到50ml聚四氟乙烯水热釜，于220℃进行水热反应10h、采用孔径为0.22um的滤纸进行砂芯抽滤，去除大颗粒杂质，得到基于离子液体的氮掺杂碳量子点；
(4)将得到的氮掺杂碳量子点在-50℃，15Pa真空度下低温冷冻干燥72h，最终得到固体状态的碳量子点。
实施例5
一种基于离子液体的氮掺杂碳量子点的制备方法，其中，所用离子液体与乙二胺的质量比为2.1:1，离子液体由摩尔比为10:1的丙三醇与L-脯氨酸组成，具体包括以下步骤：
(1)将0.1mol(9.21g)丙三醇与0.01mol(1.15g)L-脯氨酸进行混料处理，升温至90℃，恒温反应8h，使体系均一透明，得到离子液体；
(2)将4.93g乙二胺与所述离子液体进行混料处理，升温至90℃，恒温反应3h，使含氮化合物全部溶解，得到氮掺杂离子液体；
(3)将1.4g氮掺杂离子液体与30g去离子水进行混料处理，加入到50ml聚四氟乙烯水热釜，于230℃进行水热反应8h、采用孔径为0.22um的滤纸进行砂芯抽滤，去除大颗粒杂质，得到基于离子液体的氮掺杂碳量子点；
(4)将得到的氮掺杂碳量子点在-60℃，5Pa真空度下低温冷冻干燥84h，最终得到固体状态的碳量子点。
实施例6
一种基于离子液体的氮掺杂碳量子点的制备方法，其中，所用离子液体与二乙烯三胺的质量比为2.8:1，离子液体由摩尔比为6:1的木糖醇与L-精氨酸组成，具体包括以下步骤：
(1)将0.06mol(9.13g)木糖醇与0.01mol(1.74g)L-精氨酸进行混料处理，升温至100℃，恒温反应10h，使体系均一透明，得到离子液体；
(2)将3.88g二乙烯三胺与所述离子液体进行混料处理，升温至100℃，恒温反应2h，使含氮化合物全部溶解，得到氮掺杂离子液体；
(3)将1.3g氮掺杂离子液体与30g去离子水进行混料处理，加入到50ml聚四氟乙烯水热釜，于1800℃进行水热反应13h、采用孔径为0.22um的滤纸进行砂芯抽滤，去除大颗粒杂质，得到基于离子液体的氮掺杂碳量子点；
(4)将得到的氮掺杂碳量子点在-50℃，20Pa真空度下低温冷冻干燥60h，最终得到固体状态的碳量子点。
为了更好的说明本发明实施例提供的基于离子液体的氮掺杂碳量子点的特性，对实施例1-6制备的碳量子进行粒径分布分析，结果如图1所示，并对实施例2中所得的碳量子点进行TEM测试和荧光测试，结果分别如图2和图3所示。
如图1所示，本发明实施例提供的碳量子点，颗粒大小分布在1.99～4.12nm之间，平均尺寸为3.03nm。如图2所示，所得的的碳量子点为近似球形结构，且保持较好的单分散性。此外，本发明实施例提供的碳量子点还具有良好的荧光性能，如图3所示，在225-233nm(波峰处由下往上波长逐渐增加)不同激发波长下均有较好的荧光响应。
由以上数据可知，本发明实施例提供的碳量子点具有较好的分散性，且制备工艺简单，操作方便，绿色环保。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种离子液体在制备氮掺杂碳量子点中的应用，其特征在于：所述离子液体由摩尔比为5-10:1的醇类化合物与氨基酸制得。
2.如权利要求1所述的离子液体在制备氮掺杂碳量子点中的应用，其特征在于：所述离子液体的制备方法为：将所述醇类化合物与氨基酸混合后，升温至90-110℃，恒温反应直至体系均一透明，得到离子液体。
3.如权利要求1所述的离子液体在制备氮掺杂碳量子点中的应用，其特征在于：所述醇类化合物为如下通式CnH2n+2Ox中的至少一种，其中，1≤n≤10，1≤x≤n。
4.如权利要求1所述的离子液体在制备氮掺杂碳量子点中的应用，其特征在于：所述氨基酸为如下通式RCHNH2COOH中的至少一种，其中，R为C2-C6链烯基、C1～C4取代链烷基或未取代链烷基、杂环、芳香基或环烷基，所述C1～C4取代链烷基的取代基为羟基、羧基、巯基、氨基、胍基或苯基中的一种。
5.一种基于离子液体的氮掺杂碳量子点的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将权利要求1-4任一项中所述的离子液体与含氮化合物进行混合后，升温至90-110℃，恒温反应直至含氮化合物全部溶解，得到氮掺杂离子液体，所述含氮化合物为脂肪胺、脂环胺、醇胺、酰胺或酰胺衍生物；
(2)将所述氮掺杂离子液体与去离子水以质量比为1-2:30混合后，经加热、抽滤处理，得到基于离子液体的氮掺杂碳量子点。
6.如权利要求5所述的氮掺杂碳量子点的制备方法，其特征在于：所述离子液体与含氮化合物的质量比为2-4:1。
7.如权利要求5所述的氮掺杂碳量子点的制备方法，其特征在于：所述含氮化合物为尿素、乙二胺、乙醇胺或二乙烯三胺中的至少一种。
8.如权利要求5所述的氮掺杂碳量子点的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，恒温反应时间为1-3h，步骤(2)中，加热温度为180-230℃，时间为8-13h。
9.如权利要求5所述的氮掺杂碳量子点的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述基于离子液体的氮掺杂碳量子点经冷冻干燥处理得到固体状态的碳量子点。
10.如权利要求9所述的氮掺杂碳量子点的制备方法，其特征在于：所述冷冻干燥处理的真空度为5-20Pa，温度为-60～-50℃，时间为60-84h。
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