CN112979353A - 一种低成本环保碳量子点纳米肥料的制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种低成本环保碳量子点纳米肥料的制备方法及其应用，该纳米肥料由生物质为原料，包括花生麸，菜籽渣，茶叶渣，豆渣等一系列生物质中的一种或若干种混合物质。制备方法如下：将生物质原料用粉碎机粉碎，再将其放入管式炉中加热，在150℃~350℃中反应1~12h，自然冷却至室温，经过研磨，加入自来水后再经过滤净化等操作后得到生物质碳量子点水溶液，即纳米肥料。在常规营养液加入上述方法制备的浓度为0.01mg/mL~0.1mg/mL的生物质碳点溶液。本发明采用碳化法制取生物质碳点溶液，所用溶剂为水，方法绿色环保无污染，工艺流程简单，所需设备不复杂，易于操作，生产成本低，可用于工业化生产。

Description

一种低成本环保碳量子点纳米肥料的制备方法及应用
技术领域
本发明涉及纳米肥料领域，特别涉及生物质碳量子点的制备方法，及其在作物种植方面的应用。
背景技术
世界农业仍然面临着各种挑战。随着人口的进一步增加，粮食缺口进一步扩大。同时，土壤有机质下降、养分匮乏、农业水资源匮乏、耕地面积减少等问题，进一步加剧了人们对粮食的高需求与农作物生产力不足之间的不匹配。过去十年中世界人口的激增迫使农业部门提高作物生产率，以满足数十亿人的需要，特别是发展中国家的需要。土壤中普遍存在的养分缺乏给农民带来了巨大的经济损失，大规模使用化肥来增加农作物产量长期来看并不是一个合适的选择，例如利用率低，土壤板结，使土壤中某些元素过分积累，土壤理化性质改变，造成土壤中的有益菌死亡等，最终使作物品质大大降低，甚至整个生态系统的食物链造成不可弥补的破坏。
随着纳米技术和人工智能的发展，设计特定的纳米肥料已经成为缓解全球粮食压力的一种选择。碳量子点毒性相对较低(或对植物自然生长的抑制程度较低)和生物相容性较好的特性对植物的生长有积极的影响。目前，大量的纳米材料被开发和应用到农业中，用于监测作物健康，促进作物生长，提高化肥和农药的效率，控制疾病，害虫，减少环境压力。与其他金属基纳米材料相比，碳基纳米材料显示出更低的环境毒性和更高的生物相容性。因此，碳基纳米材料在农业中得到了广泛的应用。
发明内容
有鉴于此，本发明以生物质为原料，包括花生麸，菜籽饼，豆渣，茶叶渣等一系列生物质，采用碳化法合成了水溶性、稳定性好的生物质碳点，产率高达10~20%。整个反应在1~12h内完成，为工业化大规模合成碳点提供了基础，生物质碳点表面具有不同的官能团，可以增强其对水和几种营养微粒的吸收。本发明将意大利生菜作为模式植物，探讨了生物质碳点对植物生长的影响。
本发明的目的在于提供一种生物质碳量子点的制备方法，原料包括花生麸，菜籽饼，豆渣，茶叶渣等一系列生物质，并应用在植物种植方面。
本发明通过下述技术方案实现：
一种低成本环保碳量子点纳米肥料的制备方法，包括以下步骤：将生物质粉末放入管式炉中在氮气保护下进行加热，进行高温裂解反应，得到的黑褐色粉末先混于水，再过滤，得到的水溶液为花生麸碳量子点溶液。
优选的，所述生物质为市场中购买的未发酵的片状花生麸，未发酵的饼状油菜渣，块状豆渣等一系列废弃生物质。
优选的，所述花生麸粉末在管式炉中碳化的温度为150~350℃。反应时间为1~12h。
优选的，完成热解反应后，还包括将所得物料自然冷却至室温，过滤，所得滤液就是花生麸碳量子点溶液。
优选的，所述过滤的方式为抽滤，所述抽滤所用水系微孔滤膜的孔径为0 .22μm。
本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的花生麸碳量子点溶液。
本发明提供了上述技术方案所述花生麸碳量子点材料在植物的上的应用。择意大利生菜作为实验模型。在23℃，光照为每天12h的环境下，将生长稳定大小相近的意大利生菜苗，移栽在商用白光下用Hoagland营养液培养架上培养10天。10天后，将意大利生菜苗均匀加入浓度不同的花生麸碳点溶液，对照组不含碳点溶液。每个处理为12株，种植这些植物的光源是商用白光和补充紫外光。在常规营养液加入浓度为0.01mg/mL~1mg/mL的花生麸碳点溶液，可以发现加入花生麸碳量子点溶液的作物比空白对照增产40~60%左右。
本发明以生物质为天然生物质原料，所用溶剂为水，原料来源容易，生产成本低，产率高，性能好，可用于工业化大量生产的碳点。
本发明采用高温碳化的方法合成了花生麸碳量子点，制备方法简单，可宏量制备。
本发明采用的原料和合成方法绿色环保，整体制备过程简单不复杂，且无污染。
本发明提供了所述生物质碳量子点的应用，本发明制备的生物质碳点可用于植物种植方面，可以使植物大幅增长。
另外，本申请发明人通过大量创造性试验发现，适宜浓度的碳点对植物有明显的促进作用，可以使植物在相同时间内获得更高的产量。具体为，碳点在植物体内作用，使得对植物的叶绿素含量、蛋白质含量、可溶性总糖含量均得到提升。
本发明采用碳化法制取生物质碳点溶液，所用溶剂为水，方法绿色环保无污染，工艺流程简单，所需设备不复杂，易于操作，生产成本低，可用于工业化生产。
附图说明
图1为制备的生物质碳点的透射电镜（TEM）图片；
图2为制备的生物质碳点的红外光谱图；
图3为制备的生物质碳点的PL图；
图4为制备的生物质碳点的XPS图；
图5为制备的生物质碳点的紫外图谱；
图6为实制备的生物质碳点应用在植物种值方面，不同浓度碳点作用于植物，植物鲜叶重图；
图7为实施例1制备的生物质碳点应用在植物种值方面，不同浓度碳点作用于植物，植物叶绿素图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施方式，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
实施例1
一种低成本环保碳量子点纳米肥料的制备方法，包括以下步骤：
用碳化法合成碳点，将花生麸用粉碎机粉碎，再将其放入管式炉中加热，在270℃中恒温10h，自然冷却至室温，得到黑色粉末，再经过研磨过滤净化等操作后得到花生麸碳量子点水溶液。制备的碳点溶液在可见光下呈棕黄色，紫外光（365nm）下呈蓝色。
实施例2
一种低成本环保碳量子点纳米肥料的制备方法，包括以下步骤：
用碳化法合成碳点，将菜籽渣原料用粉碎机粉碎，再将其放入管式炉中加热，在350℃中恒温1h，自然冷却至室温，得到黑色粉末，再经过研磨过滤净化等操作后得到花生麸碳量子点水溶液。制备的碳点溶液在可见光下呈棕黄色，紫外光（365nm）下呈蓝色。
实施例3
一种低成本环保碳量子点纳米肥料的制备方法，包括以下步骤：
用碳化法合成碳点，将豆渣用粉碎机粉碎，再将其放入管式炉中加热，在300℃中恒温2h，自然冷却至室温，得到黑色粉末，再经过研磨过滤净化等操作后得到花生麸碳量子点水溶液。制备的碳点溶液在可见光下呈棕黄色，紫外光（365nm）下呈蓝色。
实施例4
一种低成本环保碳量子点纳米肥料的制备方法，包括以下步骤：
用碳化法合成碳点，将花生麸与豆渣混合按1:2的比例混合，用粉碎机粉碎，再将其放入管式炉中加热，在300℃中恒温3h，自然冷却至室温，得到黑色粉末，再经过研磨过滤净化等操作后得到花生麸碳量子点水溶液。制备的碳点溶液在可见光下呈棕黄色，紫外光（365nm）下呈蓝色。
实施例5
一种低成本环保碳量子点纳米肥料的制备方法，包括以下步骤：
用碳化法合成碳点，将花生麸和菜籽渣按1:3的比例混合，用粉碎机粉碎，再将其放入管式炉中加热，在330℃中恒温5h，自然冷却至室温，得到黑色粉末，再经过研磨过滤净化等操作后得到花生麸碳量子点水溶液。制备的碳点溶液在可见光下呈棕黄色，紫外光（365nm）下呈蓝色。
实施例6
一种低成本环保碳量子点纳米肥料的制备方法，包括以下步骤：
用碳化法合成碳点，将菜籽渣和豆渣按1:1的比例混合，用粉碎机粉碎，再将其放入管式炉中加热，在350℃中恒温7h，自然冷却至室温，得到黑色粉末，再经过研磨过滤净化等操作后得到花生麸碳量子点水溶液。制备的碳点溶液在可见光下呈棕黄色，紫外光（365nm）下呈蓝色。
实验效果测试
按照实施例1的方法，对实施例2~6制备的生物质碳点进行性能测试，实施例2~6制备的花生麸碳点材料对植物的生长都有促进作用，且具有与实施例1制备的花生麸碳点材料相似的性能。
图1为制备的生物质碳点的透射电镜（TEM）照片，由图可知，生物质碳点主要粒径为10nm以内，且颗粒分布均匀。
图2为制备的生物质碳点的红外光谱图，可以看出生物质碳点的红外光谱图的基团类似，3340cm-1 的宽吸收带是由于O-H键的振动。2960cm-1处的峰对应于C-H键的震动。1670cm-1的峰分别对应于COO-键，而在1400cm-1、1300cm-1和1100cm-1的吸收带归属于N-H、C-O-C、C-N-C的振动。这些结果表明生物质碳点中含有丰富的亲水性基团，包括羟基和羧基，这与碳点优异的水溶性是一致的。
图3为制备的生物质碳点的光致发光(PL)发射光谱，显示在400~500nm处有一个很强的吸收峰，表明碳点具有良好的荧光性能，可用于其他荧光的应用。
图4为制备的生物质碳点的X射线光电子能谱（XPS），析对碳点的表面官能团进行了深入的检测。图4中表面，碳点主要由碳（C，65.59%）、氮（N，12.58%）。氧（O，19%）组成，在284.5，400和531.5 eV处观察到的三个峰分别对应C 1s、N 1s和O 1s。
图5为实施例1制备的碳点的紫外吸收光谱显示两个峰。在紫外灯的照射下有强烈蓝色发光，显示出优异的光学性质。260nm处的强峰属于碳核表面的π-π*跃迁。此外，280-300nm处的弱峰被指定为n-p*跃迁。
图6为制备的生物质碳点应用在植物种植方面，不同浓度碳点溶液作用下的地上部分鲜重。可以看出碳点溶液浓度为20mg/mL的时候碳点可以最大程度的促进植物生长。
图7为制备的生物质碳点应用在植物种植方面，不同浓度碳点溶液作用下的叶绿素的含量，叶绿素是光合作用过程中的一种重要色素，用于将光能转化为化学能。可以看出碳点促进了植物中叶绿素的形成，从而提高光合速率，促进碳水化合物的形成。
由以上实施例可知，本发明提供了一种生物质碳点的制备方法和在植物中的应用。本发明以天然生物质为原料，运用简单的方法，成功制备了产量高、水溶性好、细胞毒性低、生物相容性好、稳定性好的碳点溶液。研究了碳点溶液对植物生长的影响，发现花生麸碳点溶液在合适浓度的条件下可以很好的促进植物生长，使植物的干鲜重大幅提升。从叶绿素和可溶性糖两个方面讨论了促进生长的原因。碳点使营养液中的无机养分大多以有机化合态被吸收，使营养液利用率得到明显提升。并且由于碳点的进入，促进根系快速生长，根部对植物叶片的水肥供给增强，使植物光合作用效率大大提高。表明以生物质为原料制备的碳点溶液在农业上是一个很好的肥料。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。需注意的是，本发明中所未详细描述的技术特征，均可以通过本领域任一现有技术实现。

Claims (7)

1.一种低成本环保碳量子点纳米肥料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将生物质原料用粉碎机粉碎成粉末；
S2.将步骤S1中的粉末放于管式炉中加热，通氮气，氮气流量为10~100mL/s；在150℃~350℃中加热1~12h；自然冷却至室温，将固体进行研磨，得到黑褐色粉末；
S3.将步骤S2中的黑褐色粉末溶于水过滤后收集滤液即可得到生物质碳量子点溶液。
2.根据权利要求1所述的低成本环保碳量子点纳米肥料的制备方法，其特征在于，所述生物质原料包括花生麸、菜籽饼、豆渣、茶叶渣中的任一种。
3.根据权利要求1所述的低成本环保碳量子点纳米肥料的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述过滤的方式为抽滤，所述抽滤所用水系微孔滤膜的孔径为0 .22-0.45μm。
4.根据权利要求1所述的低成本环保碳量子点纳米肥料的制备方法，其特征在于，步骤S3中得到的生物质碳量子点的产率为10-20%。
5.根据权利要求4所述的低成本环保碳量子点纳米肥料的制备方法，其特征在于，步骤S3中得到的生物质碳量子点的产率为12.65%。
6.权利要求1-5任一项所述的低成本环保碳量子点纳米肥料。
7.权利要求6所述低成本环保碳量子点纳米肥料在植物生长的应用，其特征在于，在常规营养液中加入0.01mg/mL~0.1mg/mL的生物质碳点溶液。
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