CN115521780B - 一种煤基碳量子点及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤基碳量子点及制备方法，其制备是以煤为原料，与氢氧化钠和亚硝酸钠混合，在高温下进行熔盐氧化，得到煤基碳量子点。该煤基碳量子点，在不同半导体激光激发下可以得到不同发射波长的可变色荧光。本发明利用廉价丰富的煤炭资源，以简单高效的熔盐氧化法，低成本、安全可控、可规模化制备出具有激发敏感、发光波长可调控且pH敏感的碳量子点。
Description
技术领域
本发明涉及煤基碳量子点的制备，以煤为原料，与氢氧化钠和亚硝酸钠混合，在高温下进行熔盐氧化，得到煤基碳量子点。研究结果表明由煤制备的煤基碳量子点，在不同半导体激光激发可以得到不同发射波长的可变色荧光。
背景技术
碳材料近几年受到人们的关注，如石墨烯、碳纳米管等，而碳量子点，一种新型的纳米材料是由无定形碳或者 sp2杂化碳组成，物理尺寸在 10 nm 以内，因其量子尺寸效应和边缘效应，在光电特性方面表现出优越的特性，相对于半导体量子点，碳量子点具有价格廉价、生物兼容性好、细胞毒性低、水溶性好等优点，在诸如生物成像、细胞传感、发光二极管、有机光伏器件、光催化和电催化等领域越来越受到人们的关注。
目前碳量子点的制备方法主要分为自上而下法和自下而上法。自上而下是指将尺寸较大的石墨、石墨烯、碳纳米管等切割成小分子而制备碳量子点的方法，例如电弧放电法、化学氧化法、电化学氧化法、水热法、电子束刻蚀法、超声剥离法等，自下而上是指小分子通过裂解，团聚等一系列化学反应得到颗粒更大的碳量子点再通过离心、透析等方法进行分离和提纯，主要指载体法、微波法等。其中常用的化学氧化法使用了浓硫酸、浓硝酸等强氧化性酸对环境的污染，容易产生污染，而且安全性低。
煤是自然界丰富而廉价的重要碳资源，主要由碳、氢、氧、氮、硫和磷等元素组成，碳、氢、氧三者总和约占有机质的95%以上，是非常重要的能源，也是冶金、化学工业的重要原料。目前用煤来制备碳量子点，主要采用强氧化剂的溶液化学氧化法。 溶液化学氧化法，强酸条件下超强的氧化条件使得反应过程安全性差，所以限制了工业化生产规模，另外强酸及强氧化剂对环境的危害影响大。 也有采用机械化学法的，但效率低，能耗高。
发明内容
本发明的目的是提供一种熔盐氧化法制备煤基碳量子点的方法。通过该方法，以煤为原料，与氢氧化钠和亚硝酸钠混合，在高温下进行熔盐氧化，得到的煤基碳量子点。该量子点在不同半导体激光激发可以得到不同发射波长的可变色荧光。其发光性能具有pH敏感性。
实现本发明目的的具体技术方案是：
一种煤基碳量子点的制备方法，特点是该方法包括以下具体步骤：
步骤1：将煤及熔盐置于研钵中，充分研磨0.5~1.5小时；其中，所述熔盐为亚硝酸钠和氢氧化钠；煤与熔盐的质量比为1∶10~30；亚硝酸钠与氢氧化钠的质量比为1~3∶1；
步骤2：将研磨后的混合物倒入镍坩埚中并至于马弗炉中，设置以3℃/min的升温速度，在150~300℃恒温煅烧1~5 h，待冷却至室温；
步骤3：将步骤2得到的固体中加入蒸馏水，超声30min，过滤得到颜色为淡黄色的澄清透明溶液，将淡黄色液体进行透析24小时，得到所述煤基碳量子点。
一种上述方法制备得到的煤基碳量子点，所述煤基碳量子点粒径为1~5nm；所述煤基碳量子点的荧光随激发波长变化而变化；所述煤基碳量子点具有pH值依赖性。
本发明采用熔盐氧化的方法，熔盐条件下合适的氧化条件和高效的氧化反应过程，安全性高，转化率高，效率高，成本低，而且可以保留煤基的多掺杂官能团，获得特殊荧光性能碳量子点。本发明利用廉价丰富的煤炭资源，以简单高效的熔盐氧化法，低成本、安全可控、可规模化制备出具有激发敏感、发光波长可调控且pH敏感的碳量子点。
附图说明
图1 为本发明煤基碳量子点的UV-vis光谱图；
图2 为本发明煤基碳量子点的TEM图；
图3 为本发明煤基碳量子点荧光光谱图；
图4 为本发明煤基碳量子点随荧光强度随pH值的变化图；
图5 为本发明煤基碳量子点的粒径分布图。
具体实施方式
实施例1
先称取0.5g的煤、5g亚硝酸钠和5g氢氧化钠，置于研钵中，手动充分研磨1h，将研磨后的混合物倒入镍坩埚中并至于马弗炉中，设置以3℃/min的升温速度，在150℃恒温煅烧5h，待冷却至室温，将所得到的固体中加入蒸馏水，超声30min，过滤得到颜色为淡黄色的澄清透明溶液，将淡黄色液体进行透析24小时，最后得到煤基碳量子点。该量子点的典型吸收光谱如图1所示。
实施例2
先称取0.5g的煤、5g亚硝酸钠和5g氢氧化钠，置于研钵中，手动充分研磨0.5h，将研磨后的混合物倒入镍坩埚中并至于马弗炉中，设置以3℃/min的升温速度，在250℃恒温煅烧0.5 h，待冷却至室温，将所得到的固体中加入蒸馏水，超声30min，过滤得到颜色为淡黄色的澄清透明溶液，将淡黄色液体进行透析24小时，最后得到煤基碳量子点，粒径分布在1~5nm。该量子点的典型透射电镜照片如图2所示。
实施例3
先称取0.5g的煤、5g亚硝酸钠和5g氢氧化钠，置于研钵中，手动充分研磨1.5h，将研磨后的混合物倒入镍坩埚中并至于马弗炉中，设置以3℃/min的升温速度，在200℃恒温煅烧3 h，待冷却至室温，将所得到的固体中加入蒸馏水，超声30min，过滤得到颜色为淡黄色的澄清透明溶液，将淡黄色液体进行透析24小时，最后得到煤基碳量子点。该量子点的发射光谱如图3所示。其发射光谱与pH值的关系如图4所示。
实施例4
先称取0.5g的煤、7.5g亚硝酸钠和2.5g氢氧化钠，置于研钵中，手动充分研磨1h，将研磨后的混合物倒入镍坩埚中并至于马弗炉中，设置以3℃/min的升温速度，在300℃恒温煅烧1 h，待冷却至室温，将所得到的固体中加入蒸馏水，超声30min，过滤得到颜色为淡黄色的澄清透明溶液，将淡黄色液体进行透析24小时，最后得到煤基碳量子点。该量子点的粒径分布如图5所示。
Claims (2)
1.一种煤基碳量子点的制备方法，其特征在于，该方法包括以下具体步骤：
步骤1：将煤及熔盐置于研钵中，充分研磨0.5~1.5小时；其中，所述熔盐为亚硝酸钠和氢氧化钠；煤与熔盐的质量比为1∶10~30；亚硝酸钠与氢氧化钠的质量比为1~3∶1；
步骤2：将研磨后的混合物倒入镍坩埚中并至于马弗炉中，设置以3℃/min的升温速度，在150~300℃恒温煅烧1~5 h，待冷却至室温；
步骤3：将步骤2得到的固体中加入蒸馏水，超声30min，过滤得到颜色为淡黄色的澄清透明溶液，将淡黄色液体进行透析24小时，得到所述煤基碳量子点；所述煤基碳量子点粒径为1~5nm；所述煤基碳量子点的荧光随激发波长变化而变化；所述煤基碳量子点具有pH值依赖性。
2.一种权利要求1所述方法制备得到的煤基碳量子点。
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| 煤基碳量子点合成研究进展;薄纯辉;《应用化学》;第38卷(第7期);表1，第780-781页第2.1.1.2小节 * |
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