CN114540019B - 一种无基质一步合成黄绿色固态碳点的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无基质一步合成黄绿色固态碳点的方法。该无基质一步合成黄绿色固态碳点的方法，包括以下步骤：将碳源的前驱体和掺杂的氮源溶于无水乙醇中，超声处理至完全溶解，得到混合溶液A；将混合溶液A进行溶剂热反应，得到反应溶液B；将反应溶液B冷却至室温，取出上清液，并对上清液过滤，得到碳点溶液C；将碳点溶液C干燥得到黄绿色固态碳点。本发明以间苯二酚作为碳源的前驱体、间苯二甲胺作为掺杂的氮源，采用溶剂热反应，只需后续自然挥发所合成的碳点溶液，无需后期进行修饰处理和引入基质，也不需要后续的分离过程，更不需要昂贵复杂的设备，即可得到固态发光的碳点，可以大规模推广应用。

Description

一种无基质一步合成黄绿色固态碳点的方法
技术领域
本发明涉及纳米材料制备技术领域，尤其是涉及一种无基质一步合成黄绿色固态碳点的方法。
背景技术
碳点自2004年首次被发现以来，凭借其低毒性、环境友好、低成本、光致发光可调性、良好的生物兼容性和稳定性等诸多的特异性能，广泛应用于生物成像、药物传递、传感检测、光电器件和光催化等领域。
目前，碳点的发光可以分为溶液发光和固态发光。但是，在众多的报道中，多数碳点都是呈现溶液的发光，因为聚集沉降引起的荧光淬灭现象在碳点的干燥过程中是普遍存在的。因此，固体状态下发光碳点的缺少限制了其作为固体荧光粉在诸多领域的应用。目前有关固态发光的碳点大多数都是依赖于一些复合材料得到，如需要实现碳点固体状态下的发光，采用聚乙烯醇、二氧化硅、滤纸和硼酸等固体基质固定化碳点制备得到；或者通过将特定的基团(即重原子、杂原子或芳香族羰基)纳入碳点结构这中，再将CD嵌入基质(即无机盐、聚合物、沸石和聚乙烯醇)中得到。在这些众多的方法中，基本都需要引入外界基质等材料进行复合才能得到固体发光的碳点，亦或者需要繁琐的两步过程，即先合成再复合的工艺得到，对于碳点和复合基质的选择存在一定的挑战性。所以，无基质固态发光碳点的制备也是目前碳点发光材料领域亟待突破的课题之一。针对制备过程的复杂性问题，也急需寻求一种简捷高效、快速、高质量制备固态发光碳点的制备方法。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术不足，提出一种无基质一步合成黄绿色固态碳点的方法，解决现有技术中固态碳点合成步骤繁琐且需要引入基质的技术问题。
为达到上述技术目的，本发明的第一方面提供一种无基质一步合成黄绿色固态碳点的方法，包括以下步骤：
将碳源的前驱体和掺杂的氮源溶于无水乙醇中，超声处理至完全溶解，得到混合溶液A；其中，碳源的前驱体为间苯二酚，掺杂的氮源为间苯二甲胺；
将混合溶液A进行溶剂热反应，得到反应溶液B；
将反应溶液B冷却至室温，取出上清液，并对上清液过滤，得到碳点溶液C；
将碳点溶液C干燥得到黄绿色固态碳点。
本发明的第二方面提供一种黄绿色固态碳点，该黄绿色固态碳点通过本发明第一方面提供的无基质一步合成黄绿色固态碳点的方法得到。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
本发明以间苯二酚作为碳源的前驱体、间苯二甲胺作为掺杂的氮源，采用溶剂热反应，只需后续自然挥发所合成的碳点溶液，无需后期进行修饰处理和引入基质，也不需要后续的分离过程，更不需要昂贵复杂的设备，即可得到固态发光的碳点。该方法具有快速、简单、成本低的特点，能为固态发光碳点的应用推广提供现实的可能性，可以大规模推广应用。本发明制备的黄绿色固态碳点荧光性质优异，在生物医学和光电领域有着重要的广阔应用前景。
附图说明
图1为实施例1所制备的固态碳点在不同光源条件下的光学图；
图2为实施例1所制备的固态碳点的TEM图；
图3为实施例1所制备的固态碳点的吸收和荧光光谱图；
图4为实施例1所制备的固态碳点的量子效率图；
图5为实施例1与对比例1所制备的固态碳点在不同光源条件下的光学图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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。
本发明的第一方面提供一种无基质一步合成黄绿色固态碳点的方法，包括以下步骤：
S1、将碳源的前驱体和掺杂的氮源溶于无水乙醇中，超声处理至完全溶解，得到混合溶液A；其中，碳源的前驱体为间苯二酚，掺杂的氮源为间苯二甲胺；所述碳源的前驱体和所述掺杂的氮源的摩尔比为1：(0.2～20)，进一步为1：(7～8)；在本发明的一些具体实施方式中，混合溶液A中，碳源的前驱体的含量为0.02～1mol/L，进一步为0.1mol/L；掺杂的氮源的含量为0.1～10mol/L，进一步为0.7～0.8mol/L。
S2、将混合溶液A进行溶剂热反应，得到反应溶液B；其中，溶剂热反应的温度为150～220℃，进一步为200℃；溶剂热反应的时间为0.5～20h，进一步为6h；
S3、将反应溶液B冷却至室温，取出上清液，并对上清液过滤以去除杂质，得到碳点溶液C；其中，使用滤膜对上清液过滤，滤膜的孔径为0.22μm；
S4、将碳点溶液C干燥得到黄绿色固态碳点；其中，干燥的方式为自然晾干。
本发明通过以间苯二酚作为碳源的前驱体、间苯二甲胺作为掺杂的氮源通过简单的溶剂热合成过程制备得到黄绿色固态碳点，制备过程简单，且无需额外引入基质。
本发明的第二方面提供一种黄绿色固态碳点，该黄绿色固态碳点通过本发明第一方面提供的无基质一步合成黄绿色固态碳点的方法得到。
本发明制备得到的固态碳点性能良好，激发光的波长为300～400nm，进一步为365nm，固态碳点的发射峰范围为400～700nm。
实施例1
将1mmol间苯二酚溶解在10mL无水乙醇中，在160W的超声频率下超声处理25min，待完全溶解之后加入1mL间苯二甲胺，随后继续超声10min，再将混合溶液移入25mL的聚四氟乙烯反应釜内衬里，装入不锈钢反应釜中，放入电热鼓风干燥箱中，200℃反应6h。待反应结束后，将反应釜自然冷却至室温，取出反应后的上清液；将反应后得到的上清液，使用0.22μm的过滤膜进行抽滤，去除大颗粒等杂质，再将溶液导入培养皿中自然挥发得到固体发光的黄绿色碳点。
请参阅图1，图1为实施例1所制备的固态碳点在不同光源条件下的光学图；其中，从左至右依次为日光和紫外灯(365nm)下的光学图片。通过图1可以看出，本发明制备的黄绿色固态碳点在日光下呈现黄色，在紫外灯(365nm)下呈现明显的黄绿色，说明实施例1所制备的固态碳点能在365nm波长激发下发出明亮的黄绿色荧光。
请参阅图2，图2为实施例1所制备的固态碳点的TEM图。通过图2可以看出，本发明制备的黄绿色固态碳点具有相对均匀的尺寸分布。
请参阅图3，图3为实施例1所制备的固态碳点的吸收和荧光光谱图。通过图3可以看出，实施例1所制备的固态碳点的发射峰范围为400～700nm。
请参阅图4，图4为实施例1所制备的固态碳点的量子效率图。通过图4可以看出，本发明制备的黄绿色固态碳点的量子产率为25.47％，说明其具有较高的量子产率。
对比例1
将1mmol邻苯二酚溶解在10mL无水乙醇中，在160W的超声频率下超声处理25min，待完全溶解之后加入1mL间苯二甲胺，随后继续超声10min，再将混合溶液移入25mL的聚四氟乙烯反应釜内衬里，装入不锈钢反应釜中，放入电热鼓风干燥箱中，200℃反应6h。待反应结束后，将反应釜自然冷却至室温，取出反应后的上清液；将反应后得到的上清液，使用0.22μm的过滤膜进行抽滤，去除大颗粒等杂质，再将溶液导入培养皿中自然挥发得到碳点。
图5为实施例1和对比例1在不同光源条件下的光学图；其中，(a)和(b)分别为实施例1在日光灯和UV 365nm下的光学图，(c)和(d)分别为对比例1在日光灯和UV 365nm下的光学图。通过图5可以看出，采用邻苯二酚作为碳源的前驱体制备的碳点无法在UV 365nm下激发发光，说明为成功制备黄绿色固态碳点，需严格控制原料的种类。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种无基质一步合成黄绿色固态碳点的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将碳源的前驱体和掺杂的氮源溶于无水乙醇中，超声处理至完全溶解，得到混合溶液A；其中，所述碳源的前驱体为间苯二酚，所述掺杂的氮源为间苯二甲胺；
将所述混合溶液A进行溶剂热反应，得到反应溶液B；
将所述反应溶液B冷却至室温，取出上清液，并对所述上清液过滤，得到碳点溶液C；
将所述碳点溶液C干燥得到黄绿色固态碳点；
所述混合溶液A中，所述碳源的前驱体和所述掺杂的氮源的摩尔比为1：（7~8），所述碳源的前驱体的含量为0.02~1 mol/L，所述掺杂的氮源的含量为0.1~10 mol/L；所述溶剂热反应的温度为150~220 oC，所述溶剂热反应的时间为0.5~20 h。
2.根据权利要求1所述无基质一步合成黄绿色固态碳点的方法，其特征在于，所述混合溶液A中，所述碳源的前驱体的含量为0.1 mol/L，所述掺杂的氮源的含量为0.7~0.8 mol/L。
3.根据权利要求1所述无基质一步合成黄绿色固态碳点的方法，其特征在于，所述溶剂热反应的温度为200 oC，所述溶剂热反应的时间为6 h。
4.根据权利要求1所述无基质一步合成黄绿色固态碳点的方法，其特征在于，使用滤膜对所述上清液过滤。
5.根据权利要求4所述无基质一步合成黄绿色固态碳点的方法，其特征在于，所述滤膜的孔径为0.22 µm。
6.一种黄绿色固态碳点，其特征在于，所述黄绿色固态碳点通过权利要求1~5中任一项所述无基质一步合成黄绿色固态碳点的方法得到。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN112745838A (zh) * 2021-02-01 2021-05-04 郑州大学 一种规模化固态绿色荧光碳纳米点及其制备方法
CN113861970A (zh) * 2021-09-29 2021-12-31 东北林业大学 纤维素基碳点的制备方法及抗蓝光领域应用

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