CN112442244A - 一种室温磷光量子点材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种室温磷光量子点材料，由氮掺杂碳量子点和聚合物基质PVA组成，所述氮掺杂碳量子点和PVA在水中均匀分散，PVA和氮掺杂碳量子点的质量比为(20‑30)：1。该材料在自然光照下显示黄色，在紫外光照下显示蓝色，紫外光停止照射后产生绿色磷光。本发明的另一个目的是，提供一种室温磷光量子点材料的制备方法，该方法通过将氮掺杂碳量子点包埋于聚乙烯醇基质得到一种氮掺杂碳量子点/PVA复合材料，步骤简单，安全环保。由于磷光发光涉及到三线激发态以及相对较慢的衰变速率，室温磷光材料较荧光材料应用范围更为广泛，材料中高产率三线激发态的产生可以有效地提高电致发光器件的发光效率。

Description

一种室温磷光量子点材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及新型碳材料技术领域，特别是涉及一种室温磷光量子点材料及其制备方法和应用。

背景技术

碳量子点(carbon dots or CDs)是继碳纳米管、石墨烯、富勒烯后，新出现的一种碳纳米材料，粒径尺寸一般小于10nm，并且具有很强的量子限域效应。其制备方法简单，合成成本低，制备出的碳量子点具有较好的生物相容性以及低毒性，近年来受到了广泛关注。与传统的半导体量子点比较，碳量子点不仅具有相媲美的可调节的荧光发光性能，并且因为仅含碳元素，不存在半导体量子点中重金属导致的高毒性，所以具有好的生物相容性，并且能快速的功能化，具有优异的物化性能，光化学稳定性，以及优良的化学组成和低成本，广泛应用于生物传感，生物探针，生物成像等领域。因此开展碳量子点的基础研究具有重要的实际意义和理论价值。

另外，虽说碳量子点的荧光性质得到了广泛的研究和报道，但碳量子点的室温磷光性质还鲜有报道。利用荧光性质以及磷光性质的差异，可以在信息编译和防伪方面得到利用。目前，虽说也有一部分具有磷光性质的有机化合物的报道，但大多含有重金属原子的无机或金属复合物，毒性较大，且制备步骤繁琐，不符合绿色环保的理念。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中含重金属量子点毒性较大且制备步骤繁琐的缺陷，而提供一种室温磷光量子点材料，该材料在自然光照下显示黄色，在紫外光照下显示蓝色，紫外光停止照射后产生绿色磷光。

本发明的另一个目的是，提供一种室温磷光量子点材料的制备方法，该方法通过将氮掺杂碳量子点包埋于PVA得到一种室温磷光碳量子点材料，步骤简单，安全环保。

本发明的另一个目的是，提供一种室温磷光量子点材料在电致发光器件中的应用。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种室温磷光碳量子点材料，由氮掺杂碳量子点和聚合物基质PVA组成，所述氮掺杂碳量子点和PVA在水中均匀分散，PVA和氮掺杂碳量子点的质量比为(20-30)：1优选25：1。

在上述技术方案中，所述PVA的重均分子量为50000-80000，优选70000-80000。

在上述技术方案中，所述室温磷光碳量子点材料的水溶液在紫外光下产生蓝色荧光，紫外光停止照射后产生绿色磷光。

本发明的另一个目的，上述一种室温磷光碳量子点材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：将氮掺杂碳量子点加入去离子水，配制成浓度为2mg/mL的氮掺杂碳量子点水溶液；

步骤2：将PVA加入去离子水，然后在50-70℃烘箱中放置20-30h完全溶解得到质量分数为2-10％的PVA溶液；

步骤3：将所得氮掺杂碳量子点水溶液和所得PVA溶液混合，置入50-70℃烘箱中放置20-25h，得到氮掺杂碳量子点/PVA复合材料。

本发明的另一个目的，上述室温磷光量子点材料在电致发光器件中的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明提供的氮掺杂碳量子点/PVA复合材料，室温下，受紫外光激发时产生肉眼可见的绿色磷光，不含重金属，是一种安全环保且生物相容性较好的材料。

2.本发明提供的一种氮掺杂碳量子点/PVA复合材料的制备方法，通过将氮掺杂碳量子点包埋于聚乙烯醇基质得到氮掺杂碳量子点/PVA复合材料，步骤简单，安全环保。

附图说明

图1所示为氮掺杂碳量子点的透射电镜图；

图2所示为室温磷光碳量子点材料、氮掺杂碳量子点和PVA的对照红外光谱图；

图3所示为室温磷光碳量子点材料的磷光激发光谱和发射光谱。

其中3-1为500nm发射下的激发光谱，3-2为330nm激发下的发射光谱。

图4所示为室温磷光碳量子点材料在不同光照下的照片。

其中A为自然光照下的照片，B为紫外光照下的照片。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。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

本实施例所用氮掺杂碳量子点参照文献Long,Peng,et al."Self-ProtectiveRoom-Temperature Phosphorescence of Fluorine and Nitrogen Codoped CarbonDots."Advanced Functional Materials 28.37(2018):1800791.，其制备方法如下：

将1.00g葡萄糖和2mL乙二胺依次加入到聚四氟乙烯反应釜中，添加38mL去离子水，摇匀后放入马弗炉，在240℃下反应24h。待完全冷却至室温后取出，原先无色的混合液变成棕红色，表明氮掺杂碳量子点形成。制备的氮掺杂碳量子点粗产物用旋转蒸发仪去除水分，加入二氯甲烷溶剂溶解后进行抽滤，去除未反应的葡萄糖沉淀，将得到的滤液继续通过旋转蒸发仪去除二氯甲烷，将得到的产物60℃烘干24h制得氮掺杂碳量子点(命名为NCDs)。

图1是碳量子点的透射电镜图，从图中可以看出合成的碳量子点在水溶液中分散较好，未产生团聚现象，外貌近似为球形，粒径具有一定尺寸分布。高分辨率透射电镜图表明合成的NCDs具有较为明显的晶型结构，晶格间距为0.38nm。

取所得氮掺杂碳量子点加入去离子水，配制成氮掺杂碳量子点水溶液(2mg/mL)；取重均分子量为50000的PVA(上海麦克林生化科技有限公司)加入去离子水，配置成PVA溶液(wt:2％)，然后在60℃烘箱中放置24h待其完全溶解。将1mL的PVA溶液和40μL的氮掺杂碳量子点水溶液混合(两者质量比为25：1)后置入60℃烘箱中放置24h得到氮掺杂碳量子点/PVA复合材料。在紫外灯照射下能观察到明显的磷光发光，测得量子产率为50.4％。量子产率测量方法参照：Wang,Baogang,et al."Tunable amphiphilicity and multifunctionalapplications of ionic-liquid-modified carbon quantum dots."ACS appliedmaterials&interfaces 7.12(2015):6919-6925.

图2是氮掺杂碳量子点、PVA和室温磷光碳量子点材料的对照红外光谱图，从图中可以看出，3400cm^-1强吸收峰归属于O-H键的伸缩振动，3300cm^-1处吸收峰归属于N-H键的伸缩振动，2926cm^-1和2852cm^-1处强吸收峰归属于C-H的伸缩振动，1667cm^-1处强吸收峰是由于C＝O键的伸缩振动引起的，说明碳量子表面可能含有羧基，1587cm^-1处峰验证了C-N结构的存在，说明碳量子点表面含有胺基。

图3是室温磷光碳量子点材料的发射光谱图，从图中可以看出，磷光激发光最佳激发波长为330nm，在此激发波长下，得到发射波长处于500nm处磷光强度最高的磷光光谱图。

图4A所示为室温磷光碳量子点材料水溶液在自然光下的照片，在自然光下显示黄色；图4B所示为室温磷光量子点材料水溶液在紫外光下的照片，在紫外光照射下显示蓝色荧光；紫外照射停止之后，出现绿色磷光，磷光寿命经仪器检测分析为350-360ms。

实施例2

氮掺杂碳量子点加入去离子水，配制成氮掺杂碳量子点水溶液(2mg/mL)；取重均分子量为80000的PVA(上海麦克林生化科技有限公司)加入去离子水，配置成PVA溶液(wt:10％)，然后在50℃烘箱中放置30h待其完全溶解。将0.16mL的PVA溶液和40μL的氮掺杂碳量子点水溶液混合后(两者质量比为20：1)置入50℃烘箱中放置25h得到氮掺杂碳量子点/PVA复合材料。在紫外灯照射下能观察到明显的磷光发光，测得量子产率为43.7％。

实施例3

氮掺杂碳量子点加入去离子水，配制成氮掺杂碳量子点水溶液(2mg/mL)；取重均分子量为70000的PVA(上海麦克林生化科技有限公司)加入去离子水，配置成PVA溶液(wt:2％)，然后在70℃烘箱中放置20h待其完全溶解。将1.2mL的PVA溶液和40μL的氮掺杂碳量子点水溶液混合后(两者质量比为30：1)置入70℃烘箱中放置20h得到氮掺杂碳量子点/PVA复合材料。在紫外灯照射下能观察到明显的磷光发光，测得量子产率为48.2％。

对比例1

氮掺杂碳量子点加入去离子水，配制成氮掺杂碳量子点水溶液(2mg/mL)；取重均分子量为50000的PAA(上海麦克林生化科技有限公司)加入去离子水，配置成PAA溶液(wt:2％)，然后在60℃烘箱中放置24h待其完全溶解。将1.0mL的PAA溶液和40μL的氮掺杂碳量子点水溶液混合后(两者质量比为25：1)置入60℃烘箱中放置24h得到氮掺杂碳量子点/PAA复合材料。在紫外灯照射下磷光强度降低，肉眼不可见。

由此可知，聚合物PVA基质在磷光效率上起到了关键的作用，C-N/C＝N相关结构或者CDs表面官能团在三线激发态非辐射跃迁中起到抑制用，阻遏了猝灭过程的发生。

依照本发明内容进行工艺参数调整，均可制备本发明的室温磷光量子点材料，并表现出与实施例1基本一致的性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种室温磷光碳量子点材料，其特征在于，由氮掺杂碳量子点和聚合物基质PVA组成，所述氮掺杂碳量子点和PVA在水中均匀分散，PVA和氮掺杂碳量子点的质量比为(20-30)：1。

2.如权利要求1所述的一种室温磷光碳量子点材料，其特征在于，所述PVA和氮掺杂碳量子点的质量比为25：1。

3.如权利要求1所述的一种室温磷光碳量子点材料，其特征在于，所述PVA的重均分子量为50000-80000，优选70000-80000。

4.如权利要求1所述的一种室温磷光碳量子点材料，其特征在于，所述室温磷光碳量子点材料的水溶液在紫外光下产生蓝色荧光，紫外光停止照射后产生绿色磷光。

5.如权利要求1-4任一项所述的一种室温磷光碳量子点材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将氮掺杂碳量子点加入去离子水，配制成浓度为2mg/mL的氮掺杂碳量子点水溶液；

步骤2：将PVA加入去离子水，然后在50-70℃烘箱中放置20-30h完全溶解得到质量分数为2-10％的PVA溶液；

步骤3：将所得氮掺杂碳量子点水溶液和所得PVA溶液混合，置入50-70℃烘箱中放置20-25h，得到氮掺室温磷光碳量子点材料。

6.如权利要求1-4任一项所述的一种室温磷光量子点材料在发光器件中的应用。

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