CN111330637A - 复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于材料技术领域，具体涉及一种复合材料及其制备方法。所述复合材料包括碳量子点和包覆在所述碳量子点表面的金包覆层。由于碳量子点本身具有优异的电子转移特性，并且金具有表面等离子体共振效应，因此金包覆层会对碳量子点产生一种表面等离子体共振增强效应，能够有效地提高碳量子点对光的吸收从而提高光催化能力，最终提高了复合材料的光催化效率，在光催化领域具有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于材料技术领域，具体涉及一种复合材料及其制备方法。
背景技术
人们对半导体材料应用在光催化领域做了大量研究，而且逐渐暴露出一些问题。光催化剂目前主要应用在处理环境污染方面，对其要求主要有两点：一是成本低廉、可以大规模生产，二是不会对环境造成二次污染。目前的商业光催化剂存在着成本偏高、在可见光下的降解效率低等问题。因此，降低光催化剂成本、提高光催化剂降解效率是光催化领域的一个发展趋势。
近年来，碳量子点逐渐应用到了光催化领域，由于其具有低成本、光稳定性高、易于大规模生产等优势，越来越受到人们青睐。碳量子点是一种新型碳纳米材料，除了光致发光优异且可调的性能之外，碳量子点还具有优异的光致电子转移和电荷储存特性，这使得碳量子点在光催化领域表现了诱人的前景，并且应用也迅速增多。然而，因为碳量子点SP2杂化轨道的电子跃迁是从π到π*能级，所以其在近紫外-可见光表现出较弱的吸收。
随着碳量子点应用在光催化领域的研究逐步深入，提高碳量子点的光催化性能是许多研究者致力解决的问题。最近的研究表明，单一的碳量子点在可见光区域的吸收较弱，影响了碳量子点对光的利用率，进而影响了碳量子点的光催化效率。
因此，现有技术有待改进。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种复合材料及其制备方法，旨在解决现有碳量子点的光催化效率低的技术问题。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明一方面提供一种复合材料，所述复合材料包括碳量子点和包覆在所述碳量子点表面的金包覆层。
本发明提供的复合材料包括碳量子点和包覆在所述碳量子点表面的金包覆层；碳量子点对紫外光区域的光吸收较强，而对可见光以及近红外区域的光利用率较低，当其表面包覆一层金包覆层时，由于金对可见光区域的吸收很强，金包覆层与碳量子点复合组成的复合材料能够有效地吸收紫外光、可见光以及近红外光，由于碳量子点本身具有优异的电子转移特性，并且金具有表面等离子体共振效应，因此金包覆层会对碳量子点产生一种表面等离子体共振增强效应，能够有效地提高碳量子点对光的吸收从而提高光催化能力，最终提高了复合材料的光催化效率，在光催化领域具有很好的应用前景。
本发明另一方面提供一种复合材料的制备方法，包括如下步骤：
提供碳量子点和金盐，所述碳量子点表面结合有胺基；
将所述碳量子点和金盐溶于溶剂中，得到前驱体溶液；
将所述前驱体溶液进行光照处理，在所述碳量子点表面形成金包覆层，得到所述复合材料。
本发明提供的复合材料的制备方法中，将表面结合有胺基的碳量子点和金盐溶于溶剂中直接光照处理，在光照条件下，碳量子点表面产生大量的电子空穴对，其中电子会聚集在碳量子点表面的胺基处，此时胺基上含有的电子以及其本身对金离子的键合吸引，会有大量的金离子在碳量子点表面汇聚进而被还原成金原子吸附在碳量子点表面，从而在碳量子点表面形成一层金包覆层，得到复合材料。该制备方法工艺简单，成本低，最终得到复合材料具有很好的光催化效率，在光催化领域具有很好的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例的复合材料的结构示意图；
图2为本发明实施例的复合材料的制备方法流程图。
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。
一方面，本发明实施例提供了一种复合材料，其结构如图1所示，所述复合材料包括碳量子点和包覆在所述碳量子点表面的金包覆层。
本发明实施例提供的复合材料包括碳量子点和包覆在所述碳量子点表面的金包覆层；碳量子点对紫外光区域的光吸收较强，而对可见光以及近红外区域的光利用率较低，当其表面包覆一层金包覆层时，由于金对可见光区域的吸收很强，金包覆层与碳量子点复合组成的复合材料能够有效地吸收紫外光、可见光以及近红外光，由于碳量子点本身具有优异的电子转移特性，并且金具有表面等离子体共振效应，因此金包覆层会对碳量子点产生一种表面等离子体共振增强效应，能够有效地提高碳量子点对光的吸收从而提高光催化能力，最终提高了复合材料的光催化效率，在光催化领域具有很好的应用前景。
碳量子点是一种新型碳纳米材料，相对于传统的半导体量子点而言，具有成本低廉、发光稳定以及低毒性等优势，除此之外碳量子点还具有优异的电子转移能力与电荷储存特性，这些特性使其在光催化领域有着巨大的应用价值。而金属金作为一种贵金属，由于具有良好的导电性和化学稳定性，以及良好的催化活性和抗细菌性质，在太阳能转化、催化、医药和污水处理等领域都有巨大的潜在应用，当将其应用在光降解领域时，还可以起到杀菌的作用，对水体的净化更加有力。因此，将金组成的金包覆层包覆在碳量子点表面，可以增强碳量子点在可见光区域的吸收，从而提高碳量子点对可见光的利用，最终提高复合材料的光催化能力。
进一步地，在本发明实施例的复合材料用作光催化材料。
进一步地，在本发明实施例的复合材料中，所述碳量子点表面结合有胺基，且所述胺基与所述金包覆层中的金原子连接。胺基能够与金形成键合作用，从而使金更好地吸附在碳量子点的表面，形成一层稳定的金包覆层，从而进一步提高复合材料的稳定性；另外，胺基也能充当导线的作用，将电子由碳量子点传输到金的表面。
进一步地，在本发明实施例的复合材料中，所述碳量子点的粒径为5-15nm；所述金包覆层的厚度为15-20nm。如果金包覆层太薄，其产生的表面等离子体共振效应不是很理想，如果金包覆层太厚，其会进一步影响碳量子点的光吸收效果；因此，金包覆层的厚度在15-20nm的范围内的效果最佳。
另一方面，本发明实施例还提供了一种复合材料的制备方法，如图2所示，包括如下步骤：
S01：提供碳量子点和金盐，所述碳量子点表面结合有胺基；
S02：将所述碳量子点和金盐溶于溶剂中，得到前驱体溶液；
S03：将所述前驱体溶液进行光照处理，在所述碳量子点表面形成金包覆层，得到所述复合材料。
本发明实施例提供的复合材料的制备方法中，将表面结合有胺基的碳量子点和金盐溶于溶剂中直接光照处理，在光照条件下，碳量子点表面产生大量的电子空穴对，其中电子会聚集在碳量子点表面的胺基处，此时胺基上含有的电子以及其本身对金离子的键合吸引，会有大量的金离子在碳量子点表面汇聚进而被还原成金原子吸附在碳量子点表面，从而在碳量子点表面形成一层金包覆层，得到复合材料。该制备方法工艺简单，成本低，最终得到复合材料具有很好的光催化效率，在光催化领域具有很好的应用前景。
本发明一实施例中，将制备碳量子点的碳源和胺基前驱体溶解于水中，利用水热法制得。即将制备碳量子点的碳源以及氨基前驱体在水中混合后加热。
具体的，在一实施例中，将制备碳量子点的碳源以及氨基前驱体溶解于水中，室温下磁力搅拌1-5h，得到反应所需的前驱体溶液。其中所述碳源为柠檬酸。所述氨基前驱体为尿素或者氨基葡萄糖，本实施例采用尿素为氨基前驱体。柠檬酸的浓度控制在0.1-1mol/L，尿素的浓度控制在0.001-0.02mol/L。
将得到的前驱体溶液放入水热反应釜中，150-250摄氏度下反应1-5h，待其自然冷却至室温。其中，所采用的高压反应釜外部为钢制材料，内部为聚四氟乙烯内胆，填充量控制在30-60％之间。紧接着将反应完成后的溶液取出，倒入透析袋中进行透析处理，透析时间控制在10-48h，其中透析袋的截留分子量种植在1000-3000Da。将经过透析后的溶液放入烘箱中干燥，60-80摄氏度下干燥5-10h，得到所需的表面含有氨基的碳量子点粉末，其颗粒大小为5-15nm。
提供的碳量子点可以优选为粒径为5-15nm的碳量子点。而所述金盐选用可溶性金盐，具体地，所述金盐选自氯金酸、氯化金、溴金酸和溴化金中的至少一种。
进一步地，上述步骤S02中，所述溶剂选自水。即将碳量子点和金盐溶于水中，得到的前驱体溶液即为溶解有碳量子点和金盐的水溶液。优选地，可以先将金盐溶解在水中，适当搅拌1-5小时，配置成金离子溶液；然后，将表面结合有胺基的碳量子点加入金离子溶液中，得到前驱体溶液。
进一步地，上述步骤S03中，所述光照处理的时间为1-10h。光照处理，主要使碳量子点表面产生大量的电子空穴对，从而将胺基结合的金离子还原成单质金吸附在碳量子点表面形成金包覆层，而在该光照处理的时间条件下，可以很好地形成金包覆层。
进一步地，为了提高复合材料的纯度，将所述前驱体溶液进行光照处理之后，还包括离心分离的步骤。具体地，可以将光照处理后的反应溶液分别在无水乙醇以及去离子水中各离心2-5次；优选地，所述离心分离的离心速度为3000-8000rpm；所述离心分离的时间5-10min。离心分离后，取沉淀物重新分散在水中，即可得到提纯后的复合材料溶液。
最后，本发明实施例提供一种复合材料的应用，即将本发明实施例所述的复合材料以及本发明实施例所述的制备方法得到的复合材料用作光催化剂。
因本发明实施例提供复合材料以及本发明实施例的制备方法得到复合材料具有很好的光催化效率，因此可以用作光催化剂。
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
制备表面结合有胺基的碳量子点：
将制备碳量子点的碳源以及胺基前驱体溶解于水中，室温下磁力搅拌1-5h，得到反应所需的前驱体溶液。其中，所述碳源为柠檬酸，所述胺基前驱体为尿素或者胺基葡萄糖，柠檬酸的浓度控制在0.1-1mol/L，尿素的浓度控制在0.001-0.02mol/L。
将得到的前驱体溶液放入水热反应釜中，150-250摄氏度下反应1-5h，待其自然冷却至室温。其中，所采用的高压反应釜外部为钢制材料，内部为聚四氟乙烯内胆，填充量控制在30-60％之间。紧接着将反应完成后的溶液取出，倒入透析袋中进行透析处理，透析时间控制在10-48h，其中透析袋的截留分子量在1000-3000Da。将经过透析后的溶液放入烘箱中干燥，60-80摄氏度下干燥5-10h，得到所需的表面结合有胺基的碳量子点粉末，其颗粒大小为5-15nm。
实施例2
复合材料的制备方法：
将0.5g的氯金酸(AuCl4)溶解在100ml的去离子水中，适当搅拌1-5小时，配置实验所需的氯金酸水溶液。然后，称量1-10mol实施例中制备好的碳量子点加入氯金酸水溶液中，待其分散均匀后，将溶液放置在氙灯下光照1-10小时，在光照下，碳量子点内部产生大量的电子空穴对，其中，电子会聚集在碳量子点表面的胺基处，此时胺基上含有的电子以及其本身对金的键合吸引，会有大量的金离子在其表面汇聚进而被还原成金并在胺基外层形成一层金包覆层，即获得复合材料。
随后，将反应产物分别在无水乙醇以及去离子水中各离心2-5次，离心转速控制在3000-8000rpm，离心时间为5-10min，取沉淀物分散在去离子水中，即可得到提纯后的复合材料。
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)
1.一种复合材料，其特征在于，所述复合材料包括碳量子点和包覆在所述碳量子点表面的金包覆层。
2.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述碳量子点表面结合有胺基。
3.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述复合材料用作光催化材料。
4.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述碳量子点的粒径为5-15nm；和/或
所述金包覆层的厚度为15-20nm。
5.一种复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供碳量子点和金盐，所述碳量子点表面结合有胺基；
将所述碳量子点和金盐溶于溶剂中，得到前驱体溶液；
将所述前驱体溶液进行光照处理，在所述碳量子点表面形成金包覆层，得到所述复合材料。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述碳量子点通过如下方法制备得到：将碳源和氨基前驱体在水中混合后加热。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述碳源选自柠檬酸；和/或，
所述氨基前驱体选自尿素或者氨基葡萄糖。
8.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，将碳源和氨基前驱体在水中混合后在150-250摄氏度下加热1-5h。
9.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述碳量子点的粒径为5-15nm；和/或，
所述光照处理的时间为1-10h。
10.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述金盐选自氯金酸、氯化金、溴金酸和溴化金中的至少一种；和/或
所述溶剂选自水。
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Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN104475096A (zh) * | 2014-12-10 | 2015-04-01 | 青岛农业大学 | 一种Au纳米粒子修饰的TiO2纳米线光催化剂的制备方法 |
| CN108732152A (zh) * | 2018-06-01 | 2018-11-02 | 陕西科技大学 | 一种基于氨基功能化碳量子点作为荧光探针检测甲醛的方法 |
-
2018
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|---|---|---|---|---|
| CN104475096A (zh) * | 2014-12-10 | 2015-04-01 | 青岛农业大学 | 一种Au纳米粒子修饰的TiO2纳米线光催化剂的制备方法 |
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