CN109971469B - 碳量子点的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于量子点技术领域,具体涉及一种碳量子点的制备方法。该碳量子点的制备方法,包括如下步骤:提供碳源、表面活性剂和介孔二氧化硅,所述介孔二氧化硅的孔径为1‑30nm;将所述碳源、所述表面活性剂和所述介孔二氧化硅混合进行第一研磨处理,得介孔二氧化硅的孔径中嵌入有碳量子点的混合材料;提供碱液,将所述碱液加入所述混合材料中进行化学反应,得到反应液;分离所述反应液中的固相,得到碳量子点。该制备方法绿色、简单、快捷,最终可制备出尺寸均一、产率高的碳量子点材料。

Description

碳量子点的制备方法
技术领域
本发明属于量子点技术领域,具体涉及一种碳量子点的制备方法。
背景技术
量子点材料由于其本身特有的一些优异性质,在生物学,电学,光学以及材料学等领域有着广泛的应用。目前,对与量子点材料的研究大多集中在CdS、CdSe、ZnS等金属化合物上,但是,这类量子点的制备成本很高、对环境的污染较大,且对生物体的毒性较强,这些缺点将会大大限制这类量子点的应用领域。
近年来,碳纳米材料由于其低成本、低污染并且容易制备等性质吸引了研究者们广泛的关注。而作为其中一类准零维纳米材料,碳量子点以其优异的光电、低毒等性能被管饭应用在生物探针、成像以及光电材料等领域。相对于传统的半导体量子点和有机染料,这位碳家族中的新成员不仅保持了碳材料毒性小、生物相容性好等优点,而且还拥有发光范围可调、双光子吸收截面大、光稳定性好、无光闪烁、易于功能化、价廉、易大规模合成等无可比拟的优势。
目前已经有多种方法来制备碳量子点,其中主要包括水热合成法、电化学合成法、化学氧化法、以及燃烧法和微波超声法等等。虽然这些方法都能制备出碳量子点,但是其反应条件苛刻、制备过程繁琐、成本高昂等缺点,均难以实现大规模的工业化生产。因此,如何使用绿色环保的方法,在温和的反应条件下合成碳量子点,将成为这一领域的一项重大挑战。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足,提供一种碳量子点的制备方法,旨在解决现有碳量子点制备的条件苛刻、过程繁琐、成本高昂,而且尺寸不均一的技术问题。
为实现上述发明目的,本发明采用的技术方案如下:
本发明提供一种碳量子点的制备方法,包括如下步骤:
提供碳源、表面活性剂和介孔二氧化硅,所述介孔二氧化硅的孔径为1-30nm;
将所述碳源、所述表面活性剂和所述介孔二氧化硅混合进行第一研磨处理,得到介孔二氧化硅的孔径中嵌入有碳量子点的混合材料;
提供碱液,将所述碱液加入所述混合材料中进行化学反应,得到反应液;
分离所述反应液中的固相,得到碳量子点。
本发明采用一种简单的研磨方法来制备碳量子点,即将碳源、表面活性剂和孔径为1-30nm的介孔二氧化硅进行混合研磨,研磨时加入的表面活性剂作为稳定剂,能与碳源表面相互作用,防止碳纳米颗粒发生自发团聚现象,从而研磨出达到纳米级别的碳量子点颗粒,并且表面活性剂能够修饰碳量子点表面,使其更易进入介孔二氧化硅的孔径中,使研磨更充分;待研磨结束后,加入碱液(如氢氧化钠等),碱液与二氧化硅反应生成硅酸离子化合物,从而从介孔二氧化硅中释放出碳量子点,对反应后的溶液进行分离即可获得碳量子点,该制备方法绿色、简单、快捷,最终可制备出尺寸均一、产率高的碳量子点材料。
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白,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。
本发明实施例提供了一种碳量子点的制备方法,包括如下步骤:
S01:提供碳源、表面活性剂和介孔二氧化硅,所述介孔二氧化硅的孔径为1-30nm;
S02:将所述碳源、所述表面活性剂和所述介孔二氧化硅混合进行第一研磨处理,得介孔二氧化硅的孔径中嵌入有碳量子点的混合材料;
S03:提供碱液,将所述碱液加入所述混合材料中进行化学反应,得到反应液;
S04:分离所述反应液中的固相,得到碳量子点。
本发明实施例采用一种简单的研磨方法来制备碳量子点,即将碳源、表面活性剂和孔径为1-30nm的介孔二氧化硅进行混合研磨,研磨时加入的表面活性剂作为稳定剂,能与碳源表面相互作用,防止碳纳米颗粒发生自发团聚现象,从而研磨出达到纳米级别的碳量子点颗粒,并且表面活性剂能够修饰碳量子点表面,使其更易进入介孔二氧化硅的孔径中,使研磨更充分;待研磨结束后,加入碱液(如氢氧化钠等),碱液与二氧化硅反应生成硅酸离子化合物,从而从介孔二氧化硅中释放出碳量子点,分离反应后溶液中的固相,即可获得碳量子点,具体优选的分离方法包括离心、透析等方法。该制备方法绿色、简单、快捷,最终可制备出尺寸均一、产率高的碳量子点材料。
具体地,介孔二氧化硅具有规则的介孔孔道、孔径分布窄且可调的特点,而且其表面积和孔容积非常大,在孔径为1-30nm的范围内即可研磨出碳量子点。因本发明实施例可以在孔径为1-30nm的范围通过调整介孔二氧化硅的孔径、并简单研磨,就制备出颗粒尺寸均一、且产率较高的碳量子点,因此该制备方法工艺简单,重复性好,反应条件温和,而且可以按照碳量子点的实际用途的尺寸需要,选择不同孔径的介孔二氧化硅进而制备出不同大小颗粒的碳量子点材料,该制备方法不会引入重金属等污染源,可大幅度降低生物毒性,属于绿色环保生产。
进一步地,本发明实施例的制备方法中,所述碳源选自果壳类活性炭、煤质类活性碳和木质类活性炭中的至少一种,但不限于以上几种,上述活性炭的选择可以为该制备方法提供很好的碳源。进一步地,所述介孔二氧化硅选自MCM-41、MCM-48和MCM-50中的至少一种,但不限于以上几种。进一步地,所述表面活性剂选自甲基纤维素、乙基纤维素和醋酸纤维素中的至少一种,但不限于以上几种,上述优选的表面活性剂主要是指表面富含大量羟基的高分子碳水化合物,其可以更好地对碳纳米颗粒起到稳定作用。进一步地,所述碱液选自氢氧化钠溶液和氢氧化钾溶液中的至少一种,本发明实施例中优选氢氧化钠,介孔二氧化硅材料与氢氧化钠溶液混合后,氢氧化钠与二氧化硅反应生成硅酸钠离子化合物,从而释放介孔二氧化硅中的碳量子点颗粒,具体反映方程式如下:SiO2+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2
进一步地,本发明实施例的制备方法中,所述碳源与所述介孔二氧化硅的摩尔比为(0.01-100):1,该摩尔比范围内,碳源与介孔二氧化硅研磨产量更多。进一步地,所述碳源与所述表面活性剂的摩尔比为1:(0.01-0.001),该摩尔比范围内,表面活性剂起到更好的稳定效果,本发明一优选实施例中,添加0.10-5mol表面活性剂。进一步地,所述碱液中氢氧根离子的浓度为0.5-3mol/L,该浓度范围内,碱液与二氧化硅更充分反应。
进一步地,本发明实施例的制备方法中,所述第一研磨处理的条件为:研磨速度为50-500rpm,研磨时间为1-24h;该研磨处理条件的研磨效果更好。进一步地,所述化学反应的条件为:搅拌1-24h。
进一步地,本发明实施例的制备方法中,在所述第一研磨处理之前,还包括对所述介孔二氧化硅进行亲水处理;所述亲水处理的步骤包括:
提供亲水剂;将所述介孔二氧化硅与所述亲水剂混合进行第二研磨处理。
先将介孔二氧化硅进行亲水性处理,将其与亲水剂进行混合研磨,使介孔二氧化硅表面具有一定的亲水性,便于碳量子点进入其孔径,对后续制备碳量子点的尺寸均一性效果更佳。
更进一步地,所述亲水剂选自3-氨丙基三甲基硅烷和正硅酸甲酯中的至少一种,该两种亲水剂的亲水效果更好。优选地,所述介孔二氧化硅与所述亲水剂的摩尔比为(1-50):1,在该摩尔比范围内,亲水剂可以更好地对介孔二氧化硅进行亲水处理。进一步优选地,所述第二研磨处理的条件为:研磨速度为50-500rpm,研磨时间为1-10h。
更进一步地,在所述混合材料与所述氢氧化钠溶液混合处理之前,还包括对所述混合材料进行清洗处理;所述清洗处理的步骤包括:
将所述混合材料用酒精冲洗、抽滤后,溶于水中进行离心分离。
经过酒精冲洗、抽滤,去掉多余的未研磨充分的碳源,使最终的碳量子点产物更纯。优选地,离心速度为1000-3000rpm,离心时间为5-30min,如此清洗效果更佳。离心分离后可再进一步进行真空干燥,干燥完成后即可获得包裹住碳量子点的介孔二氧化硅材料,再将此材料与碱液进行混合反应。
更进一步地,在分离所述反应液中的固相之前,还包括离心处理的步骤,离心处理可更好地获得碳量子点。在分离所述反应液中的固相之后,还包括干燥处理的步骤。
本发明先后进行过多次试验,现举一部分试验结果作为参考对发明进行进一步详细描述,下面结合具体实施例进行详细说明。
实施例1
一种碳量子点的制备方法,包括如下步骤:
将MCM-41介孔二氧化硅与3-氨丙基三甲基硅烷按比例混合,摩尔比为10:1,混合后将其放入研钵中进行研磨2h,研磨速率为100rpm,接着将木质类活性炭和改性后的MCM-41介孔二氧化硅按照摩尔比1:1混合,然后添加0.2mol甲基纤维素作为表面活性剂,放入研钵中研磨2h,研磨速率为100rpm。
研磨结束后,将混合物取出,用20ml酒精冲洗,再依次经过抽滤,溶于10ml去离子水中进行离心处理,离心速度为1000rpm,离心时间为10min。取出包裹住碳量子点的介孔二氧化硅材料,然后将其与1mol/L的NaOH水溶液混合均匀,搅拌2h,搅拌结束后,将混合溶液依次进行离心、透析、干燥处理后,即可获得尺寸均一的碳量子点。
实施例2
一种碳量子点的制备方法,包括如下步骤:
将MCM-50介孔二氧化硅与正硅酸甲酯按比例混合,摩尔比为50:1,混合后将其放入研钵中进行研磨10h,研磨速率为500rpm,将果壳类活性炭和改性后的MCM-50介孔二氧化硅按照摩尔比100:1混合,然后添加3mol甲基纤维素作为表面活性剂,放入研钵中研磨5h,研磨速率为500rpm。研磨结束后,将混合物取出,用100ml酒精冲洗,再依次经过抽滤,溶于50ml去离子水中进行离心处理,离心速度为3000rpm,离心时间为200min。取出包裹住碳量子点的介孔二氧化硅材料,然后将其与3mol/L的NaOH水溶液混合均匀,搅拌10h,搅拌结束后,将混合溶液依次进行离心、透析、干燥处理后,即可获得尺寸均一的碳量子点。
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、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种碳量子点的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
提供碳源、表面活性剂和介孔二氧化硅,所述介孔二氧化硅的孔径为1-30nm;
将所述碳源、所述表面活性剂和所述介孔二氧化硅混合进行第一研磨处理,得到介孔二氧化硅的孔径中嵌入有碳量子点的混合材料;
提供碱液,将所述碱液加入所述混合材料中进行化学反应,得到反应液;
分离所述反应液中的固相,得到碳量子点;
其中,所述碳源选自果壳类活性炭、煤质类活性碳和木质类活性炭中的至少一种,所述表面活性剂选自甲基纤维素、乙基纤维素和醋酸纤维素中的至少一种。
2.如权利要求1所述的碳量子点的制备方法,其特征在于,所述介孔二氧化硅选自MCM-41、MCM-48和MCM-50中的至少一种;和/或
所述碱液选自氢氧化钠溶液和氢氧化钾溶液中的至少一种。
3.如权利要求1所述的碳量子点的制备方法,其特征在于,所述碳源与所述介孔二氧化硅的摩尔比为(0.01-100):1;和/或
所述碳源与所述表面活性剂的摩尔比为1:(0.01-0.001);和/或
所述碱液中氢氧根离子的浓度为0.5-3mol/L。
4.如权利要求1所述碳量子点的制备方法,其特征在于,所述第一研磨处理的条件为:研磨速度为50-500rpm,研磨时间为1-24h;和/或
所述化学反应的条件为:搅拌1-24h。
5.如权利要求1-4任一项所述的碳量子点的制备方法,其特征在于,在所述第一研磨处理之前,还包括对所述介孔二氧化硅进行亲水处理;所述亲水处理的步骤包括:
提供亲水剂;
将所述介孔二氧化硅与所述亲水剂混合进行第二研磨处理。
6.如权利要求5所述的碳量子点的制备方法,其特征在于,所述亲水剂选自3-氨丙基三甲基硅烷和正硅酸甲酯中的至少一种。
7.如权利要求5所述的碳量子点的制备方法,其特征在于,所述介孔二氧化硅与所述亲水剂的摩尔比为(1-50):1;和/或
所述第二研磨处理的条件为:研磨速度为50-500rpm,研磨时间为1-10h。
8.如权利要求1-4任一项所述的碳量子点的制备方法,其特征在于,在将所述碱液加入所述混合材料中进行化学反应之前,还包括对所述混合材料进行清洗处理;所述清洗处理的步骤包括:
将所述混合材料用酒精冲洗、抽滤后,溶于水中进行离心分离。
9.如权利要求8所述的碳量子点的制备方法,其特征在于,所述离心分离的条件为:离心速度为1000-3000rpm,离心时间为5-30min。
10.如权利要求1-4任一项所述的碳量子点的制备方法,其特征在于,在所述分离所述反应液中的固相之前,还包括离心处理的步骤;和/或
在所述分离所述反应液中的固相之后,还包括干燥处理的步骤。
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