CN110272736A - 一种绿色发光的氮镁共掺杂木质素基荧光碳量子点及其制备方法 - Google Patents

一种绿色发光的氮镁共掺杂木质素基荧光碳量子点及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种绿色发光的氮镁共掺杂木质素基荧光碳量子点及其制备方法，属于荧光碳纳米材料的制备技术领域。一种绿色发光的氮镁共掺杂木质素基荧光碳量子点的制备方法，所述方法包括以下步骤：将木质素与镁掺杂剂分散于去离子水中后与乙二胺混合，常温密闭搅拌均匀，之后在220～240℃下进行水热反应10～15h，得粗产物；将粗产物经净化处理后；干燥得到绿色发光的氮镁共掺杂木质素基荧光碳量子点粉末。本发明所述方法，经过氮镁元素的共掺杂成功调节木质素碳量子点的最佳发射为500～510nm，表现为绿色发光，得到的绿色发光碳量子点量子效率高，整个工艺流程简单，成本低。

Description

一种绿色发光的氮镁共掺杂木质素基荧光碳量子点及其制备 方法
技术领域
本发明涉及一种绿色发光的氮镁共掺杂木质素基荧光碳量子点及其制备方法，属于荧光碳纳米材料的制备技术领域。
背景技术
近年来，碳量子点作为一种新型荧光纳米粒子，具有独特的荧光性质，良好的生物相容性，低毒性得到广泛关注和研究；相较于传统的金属量子点，低毒性使其在生物成像、生物传感等领域有着不可替代的地位。目前所报道的碳量子点的发射波长大部分集中于蓝光区域，实际应用价值低。因此，选择一种来源丰富的碳源通过简便可控的方法合成长波长发射的碳量子点成为人们的焦点。
发明内容
本发明采用廉价且产量巨大的木质素为碳源，加入镁掺杂剂和乙二胺反应后，得到了氮镁同时掺杂的木质素碳量子点，其中镁元素的掺杂的主要作用为波长调节，乙二胺作为钝化剂增加量子效率。为了解决现有技术中碳量子点发射波长短的问题，本发明提供了一种绿色发光的木质素基荧光碳量子点的制备方法。
一种绿色发光的氮镁共掺杂木质素基荧光碳量子点的制备方法，所述方法包括以下步骤：
将木质素与镁掺杂剂分散于去离子水中后与乙二胺混合，常温密闭搅拌均匀，之后在220～240℃下进行水热反应10～15h，得粗产物；将粗产物经净化处理后；干燥得到绿色发光的氮镁共掺杂木质素基荧光碳量子点粉末，
当木质素中含有镁时，镁掺杂剂的用量可为0。
进一步地，将木质素与镁掺杂剂分散于去离子水中后与乙二胺混合，常温密闭搅拌15～20min，搅拌速率为600～1000rpm。
利用本发明所述方法制备的氮镁共掺杂木质素基荧光碳量子点，具有长波长发射的特点，所述绿色发光的木质素基荧光碳量子点最佳发射波长为500nm～510nm。
本发明所述绿色发光的氮镁共掺杂木质素基荧光碳量子点的制备方法中，所述木质素为磨木木质素，酶解木质素，硫酸盐木质素，预水解木质素，溶剂木质素，木质素磺酸盐。上述木质素均可商业购得。
进一步地，所述溶剂木质素为甲醇木质素或乙醇木质素。
更进一步地，所述木质素为磨木木质素，预水解木质素，硫酸盐木质素，溶剂木质素或酶解木质素时，镁掺杂剂为氢氧化镁或氧化镁，水热反应中反应温度为240℃，反应时间为10h；更进一步地，所述镁掺杂剂与木质素的比例为0.02:1mol/g。
更进一步地，所述木质素为木质素磺酸镁时，镁掺杂剂为氢氧化镁，氧化镁或不加镁掺杂剂；所述木质素为木质素磺酸钙时，镁掺杂剂为氢氧化镁或硫酸镁；所述木质素为木质素磺酸钠时，镁掺杂剂为氧化镁；水热反应中反应温度为220℃，反应时间为15h；更进一步地，所述镁掺杂剂与木质素磺酸盐的比例为0.005～0.015:1mol/g，木质素磺酸镁可以不加镁掺杂剂。
本发明所述绿色发光的氮镁共掺杂木质素基荧光碳量子点的制备方法中，所述木质素与镁掺杂剂分散于去离子水后与乙二胺混合形成的溶液中，木质素浓度为20g/L，乙二胺浓度为36g/L。
本发明所述绿色发光的氮镁共掺杂木质素基荧光碳量子点的制备方法，优选净化过程为：将粗产物在0～5℃静置2h，抽滤后将滤液透析干燥，整个过程中不加酸进行中和。
本发明的另一目的是提供由上述方法制得的绿色发光的氮镁共掺杂木质素基荧光碳量子点。
利用上述方法制得的绿色发光的氮镁共掺杂木质素基荧光碳量子点直径2.08nm，粒度均匀且呈球形。
利用上述方法制得的绿色发光的氮镁共掺杂木质素基荧光碳量子点的荧光量子效率为15.62～51.98％。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明提供的绿色发光的氮镁共掺杂木质素基荧光碳量子点的制备方法，经过氮镁元素的共掺杂，成功调节木质素碳量子点的最佳发射为500～510nm，表现为绿色发光，且通过改变不同的镁掺杂剂，使该方法均适用于所有的木质素及木质素磺酸盐。得到的绿色发光碳量子点量子效率高，整个工艺流程简单，廉价的木质素大大降低碳源成本，为木质素的高值化利用提供一条极具潜力的途径。
附图说明
图1为实施例1制备的碳量子点的激发/发射光谱。
图2为实施例1制备的碳量子点的粒径分布图。
图3为实施例1制备的碳量子点的TEM照片。
具体实施方式
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
下述实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
下面结合附图，以不同原料所制备的碳量子点的具体实施例对本发明作进一步的阐明。
实施例1
将0.1g酶解木质素与0.116g氢氧化镁在磁力搅拌的状态下分散在5mL超纯水中，加入0.18g乙二胺，常温密闭搅拌15min，转速为600rpm。之后在240℃下水热反应10h，得粗产物。将粗产物在0～5℃静置2h，抽滤后收集滤液，之后将滤液在0～5℃静置2h，继续抽滤直至此过程无沉淀。之后将纯净的滤液透析干燥得到绿色发光的木质素基荧光碳量子点粉末。反应得到的碳量子点最佳发射峰为510nm，荧光量子效率为46.38％。
实施例2
将0.1g硫酸盐木质素与0.0806g氧化镁在磁力搅拌的状态下分散在5mL超纯水中，加入0.18g乙二胺，常温密闭搅拌15min，转速为600rpm。之后在240℃下水热反应10h，得粗产物。将粗产物在0～5℃静置2h，抽滤后收集滤液，之后将滤液在0～5℃静置2h，继续抽滤直至此过程无沉淀。之后将纯净的滤液透析干燥得到绿色发光的掺杂木质素基荧光碳量子点粉末。反应得到的碳量子点最佳发射峰为510nm，荧光量子效率为51.98％。
实施例3
将0.1g木质素磺酸镁与0.18g乙二胺常温密闭搅拌15min，转速为600rpm。之后在220℃下水热反应15h，得粗产物。将粗产物在0～5℃静置2h，抽滤后收集滤液，之后将滤液在0～5℃静置2h，继续抽滤直至此过程无沉淀。之后将纯净的滤液透析干燥得到绿色发光的掺杂木质素基荧光碳量子点粉末。反应得到的碳量子点最佳发射峰为500nm，荧光量子效率为15.62％。
实施例4
将0.1g木质素磺酸镁与0.03g氢氧化镁在磁力搅拌的状态下分散在5mL超纯水中，加入0.18g乙二胺，其他均与实施例3保持一致。反应得到的碳量子点最佳发射峰为505nm，荧光量子效率为26.7％。
实施例5
将0.1g木质素磺酸钙与0.18g硫酸镁在磁力搅拌的状态下分散在5mL超纯水中，加入0.18g乙二胺，其他均与实施例3保持一致。反应得到的碳量子点最佳发射峰为505nm，荧光量子效率为25.37％。
实施例6
将0.1g木质素磺酸钠与0.04g氧化镁在磁力搅拌的状态下分散在5mL超纯水中，加入0.18g乙二胺，其他均与实施例3保持一致。反应得到的碳量子点最佳发射峰为500nm，荧光量子效率为28.38％。
表1实施例1～6的最佳激发、发射波长和量子效率

Claims (10)

1.一种绿色发光的氮镁共掺杂木质素基荧光碳量子点的制备方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
将木质素与镁掺杂剂分散于去离子水中后与乙二胺混合，常温密闭搅拌均匀，之后在220～240℃下进行水热反应10～15h，得粗产物；将粗产物经净化处理后；干燥得到绿色发光的氮镁共掺杂木质素基荧光碳量子点粉末，
当木质素中含有镁时，镁掺杂剂的用量可为0。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所得绿色发光的氮镁共掺杂木质素基荧光碳量子点最佳发射波长为500～510nm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述木质素为磨木木质素，酶解木质素，硫酸盐木质素，预水解木质素，溶剂木质素，木质素磺酸盐。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述木质素与镁掺杂剂分散于去离子水后与乙二胺混合形成的溶液中，木质素浓度为20g/L，乙二胺浓度为36g/L。
5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于：当所述木质素为磨木木质素，预水解木质素，硫酸盐木质素，溶剂木质素或酶解木质素时，所述镁掺杂剂与木质素的比例为0.02:1mol/g。
6.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于：当木质素为木质素磺酸盐时，所述镁掺杂剂与木质素磺酸盐的比例为0.005～0.015:1mol/g。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述净化过程为：将粗产物在0～5℃静置2h，抽滤后将滤液透析干燥，整个过程中不加酸进行中和。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述木质素为磨木木质素，预水解木质素，硫酸盐木质素，溶剂木质素或酶解木质素时，镁掺杂剂为氢氧化镁或氧化镁，水热反应中反应温度为240℃，反应时间为10h；
所述木质素为木质素磺酸镁时，镁掺杂剂为氢氧化镁，氧化镁或不加镁掺杂剂；所述木质素为木质素磺酸钙时，镁掺杂剂为氢氧化镁或硫酸镁；所述木质素为木质素磺酸钠时，镁掺杂剂为氧化镁；水热反应中反应温度为220℃，反应时间为15h。
9.权利要求1～8所述方法制得的木质素基荧光碳量子点，其特征在于：所述绿色发光的木质素基荧光碳量子点直径2.08nm，粒度均匀且呈球形。
10.根据权利要求9所述的木质素基荧光碳量子点，其特征在于：所述木质素基荧光碳量子点的荧光量子效率为15.62～51.98％。
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