CN114214065B - 一种双发射氮掺杂荧光碳点的制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双发射氮掺杂荧光碳点的制备方法及其应用，本发明为溶剂热法制备，所述荧光碳点为在紫外激发下，同时具有440nm和580nm的双荧光发射波长，且双波长的荧光强度比例可调，可用于白光发射和温度传感器。本发明的荧光碳点具有良好的荧光性能，特别是白色碳点可以达到纯白光的发射(CIE坐标1931(0.33，0.33))，有望应用于照明领域。并且能够检测15～65℃的温度范围，具有良好的感温性能。
Description
技术领域
本发明涉及荧光纳米材料领域，具体涉及一种双发射氮掺杂荧光碳点的制备方法及其在白光发射、温度传感领域的应用。
背景技术
碳点作为一种新型的零维纳米发光材料，有着很多的优点。例如易于制备、低成本、优异的光学性质、良好的生物相容性和低毒性，这使得它们在化学传感、生物分析检测和光电器件应用中备受关注。近年来，为进一步调控碳点的荧光性能并提升其荧光质量，研究者们通常使用掺杂、表面修饰等策略进行处理。作为目前最为有效且简单的调控措施之一，杂原子掺杂可以改变碳点的结构，从而直接有效地调控碳点的荧光特性。通过掺杂氮、磷、硼、硫等元素来调控碳点的荧光性能已经成为国内外研究的热点，然而大多数掺杂的荧光碳点只有单波长发射，双波长荧光碳点的合成方法报道较少。
常规单发射的碳点应用于白光照明时，一般需要两至三种单色碳点的混合。类似的，用于环境或生物探测的比率荧光探针也是由两种荧光物质混合构成。组装后的复合荧光材料尺寸一般比较大，容易聚集，影响复合物的光稳定性。双波长发射的荧光碳点可以实现自身荧光比例调控，对白光照明、荧光探测等光学应用具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有大多数掺杂的荧光碳点只有单波长发射，双波长荧光碳点的合成方法，单发射的荧光碳点应用于白光照明时，需要多种单色碳点混合的缺陷，而提供一种双发射氮掺杂荧光碳点的制备方法及其在白光发射、温度传感领域的应用，本发明的制备方法简单、所需原料极少、用时短、中间产物和副产物少、成本低与经济环保，本发明制得的双发射氮掺杂荧光碳点性能理想，具有较强的应用价值。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明首先提供了一种双发射氮掺杂荧光碳点的制备方法，包括以下步骤：
1)在溶剂中加入柠檬酸与尿素，搅拌后得到前驱体溶液；
2)将步骤1)得到的前驱体溶液置于反应釜中加热进行溶剂热反应，反应结束后，将反应液自然冷却至室温、离心得到蓝/黄氮掺杂双波长荧光碳点溶液；
其中，柠檬酸与尿素的质量比为1:1-15。
在本发明中，本发明以柠檬酸、尿素为原料，以N，N-二甲基甲酰胺为溶剂环境，在反应釜中短时间加热(一步溶剂热法)便可得到蓝/黄氮掺杂双波长荧光碳点，原料易得，成本低，制备方法简单，用时短，危险性低，易于实现批量生产。
作为本发明的一种优选方案，步骤1)中所用的溶剂为N，N-二甲基甲酰胺，每1克柠檬酸加入15-60mL的N，N-二甲基甲酰胺。
作为本发明的一种优选方案，步骤2)中，溶剂热反应的条件为：反应温度160-200℃，反应时间4-6h。
作为本发明的一种优选方案，溶剂热反应的条件为：反应温度160℃，反应时间6h。
作为本发明的一种优选方案，步骤2)中，所述的离心的条件为转速8000r/min，离心时间30min。
本发明第二方面提供了上述的制备方法制备得到的双发射氮掺杂荧光碳点。
本发明第三方面提供了上述的双发射氮掺杂荧光碳点在白光发射或者温度传感领域的应用。
作为本发明的一种优选方案，当双发射氮掺杂荧光碳点用于白光发射时，包括以下步骤：
a)权利要求6所述的双发射氮掺杂荧光碳点，在330nm激发下，测得其发射光谱；
b)将步骤a)中测得的发射光谱数据带入CIE坐标1931中测到坐标为(0.33，0.33)，得到白光发射的双波长荧光碳点。
作为本发明的一种优选方案，当双发射氮掺杂荧光碳点用于温度传感领域时，在温度为15～65℃范围时，荧光强度与温度具有良好的线性。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明以柠檬酸、尿素为原料，以N，N-二甲基甲酰胺为溶剂环境，在反应釜中短时间加热(一步溶剂热法)便可得到蓝/黄氮掺杂的双波长荧光碳点，原料易得，成本低，制备方法简单，用时短，危险性低，易于实现批量生产；
(2)本发明获得的双发射氮掺杂荧光碳点具有蓝色、黄色双波长发射，且双波长的荧光强度比例可调节，荧光质量优异，且可用于白光发射和温度传感。
附图说明
图1是实施例1～4及对比例1中得到的碳点荧光发射谱图。
图2是实施例1～4中得到的碳点CIE色品坐标图。
图3是实施例5中碳点的感温性能图。
图4是实施例5在440nm处荧光强度与温度结果。
图5是实施例5在580nm处荧光强度与温度结果。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例提供了一种双发射氮掺杂荧光碳点的制备方法，包括以下步骤：
1)称取0.5g柠檬酸、5g尿素，溶解于30mL N，N-二甲基甲酰胺溶剂中，充分搅拌得到混合溶液，将混合溶液倒入50mL高压反应釜中，密闭后置于鼓风干燥箱中，升温至160℃保温溶剂热反应6h，自然冷却；
2)将上述碳点溶液进行离心，转速8000r/min离心30min，之后采用截留分子量为1000Da的透析袋透析24h，得氮掺杂蓝/黄双波长荧光碳点。在330nm激发下得到的碳点荧光发射光谱如图1所示。
3)对上述制备的碳点在330nm激发下的荧光光谱进行计算拟合，得出相应的CIE色品坐标为(0.33，0.33)，属于纯白光，如图2所示。以上计算结果证实，本实施例制备产物可在紫外光激发下实现白光发射。
实施例2
本实施例与实施例1相比，不同之处在于，柠檬酸与尿素的质量比为1:4，其余与实施例1完全相同。得到的碳点荧光发射光谱如图1所示，得到的相应的CIE色品坐标为(0.31，0.29)，如图2所示。
实施例3
本实施例与实施例2相比，不同之处在于，柠檬酸与尿素的质量比为1:3，其余与实施例1完全相同。得到的碳点荧光发射光谱如图1所示，得到的相应的CIE色品坐标为(0.30，0.28)，如图2所示。
实施例4
本实施例与实施例1相比，不同之处在于，柠檬酸与尿素的质量比为1:2，其余与实施例1完全相同。得到的碳点荧光发射光谱如图1所示，得到的相应的CIE色品坐标为(0.26，0.23)，如图2所示。
对比例1
本对比例与实施例1相比，不同之处在于，柠檬酸与尿素的质量比为1:0(全为柠檬酸)，其余与实施例1完全相同，得到的碳点荧光发射光谱如图1所示。
从图1可以看出，不加尿素制备的碳点仅有蓝光发射；随着尿素的含量增加，黄光峰与蓝光峰的强度比逐渐增大。
从图2可以看出，随着尿素与柠檬酸的质量比例逐渐增大，制备的双波长碳点越接近于白光发射，当柠檬酸和尿素的质量比为1:10时，可以得到良好的纯白光发射，色品坐标为(0.33，0.33)。
实施例5：温度传感器
1)称取0.5g柠檬酸、5g尿素，溶解于30mL N，N-二甲基甲酰胺溶剂中，充分搅拌得到混合溶液，将混合溶液倒入50mL高压反应釜中，密闭后置于鼓风干燥箱中，升温至160℃保温溶剂热反应6h，自然冷却。
2)将上述碳点溶液进行离心，转速8000r/min离心30min，之后采用截留分子量为1000Da的透析袋透析24h，得氮掺杂蓝/黄双波长荧光碳点。
3)取10uL制得的碳点溶液与3mL去离子水均匀混合，分别在15℃、30℃、45℃、55℃和65℃温度下测其荧光强度。结果参见图3，图4与图5。
如图3所示，实施例5中制备的双波长荧光碳点具有良好的感温性能。当温度在15～65℃时，随着温度的升高，溶液的荧光强度逐渐减小；440nm和580nm处的荧光强度与温度之间存在线性关系(图4，y＝-105.4x+16470(R2＝0.994)；图5，y＝-180.3x+19526.9(R2＝0.998))。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。
Claims (2)
1.双发射氮掺杂荧光碳点的应用，其特征在于，双发射氮掺杂荧光碳点在白光发射或者温度传感领域的应用；
当双发射氮掺杂荧光碳点用于白光发射时，包括以下步骤：
a)双发射氮掺杂荧光碳点，在330nm激发下，测得其发射光谱；
b)将步骤a)中测得的发射光谱数据带入CIE坐标1931中测到坐标为(0.33，0.33)，得到白光发射的双波长荧光碳点；
其中，双发射氮掺杂荧光碳点的制备方法，包括以下步骤：
1)在溶剂中加入柠檬酸与尿素，搅拌后得到前驱体溶液；溶剂为N，N-二甲基甲酰胺，每1克柠檬酸加入15-60mL的N，N-二甲基甲酰胺；
2)将步骤1)得到的前驱体溶液置于反应釜中加热进行溶剂热反应，溶剂热反应的条件为：反应温度160-200℃，反应时间4-6h，反应结束后，将反应液自然冷却至室温、离心得到蓝/黄氮掺杂双波长荧光碳点溶液；离心的条件为转速8000r/min，离心时间30min；
其中，柠檬酸与尿素的质量比为1:1-15。
2.根据权利要求1所述的双发射氮掺杂荧光碳点的应用，其特征在于，当双发射氮掺杂荧光碳点用于温度传感领域时，在温度为15～65℃范围时，荧光强度与温度具有良好的线性。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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