CN207511833U

CN207511833U - 一种大规模快速合成碳量子点的装置

Info

Publication number: CN207511833U
Application number: CN201721402435.4U
Authority: CN
Inventors: 汤勇; 饶龙石; 李宗涛; 卢汉光; 颜才满; 唐恒
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2017-10-27
Filing date: 2017-10-27
Publication date: 2018-06-19
Anticipated expiration: 2027-10-27

Abstract

本实用新型公开了一种大规模快速合成碳量子点的装置。该装置包括前驱物溶液容器（2‑1）、磁力泵（4）、微通道反应器（8）、温控仪（14）和产物收集容器（2‑2）。本实用新型的装置结构简单、微型化、成本低、易于制备和操作。本实用新型方法采用所述的装置合成碳量子点，合成碳量子点的效率高，合成速度快，产率大，且合成的碳量子点荧光效率高，可达60.1%，合成的碳量子点可用于包括金属离子检测、生物成像、LED或太阳能光伏等领域。

Description

一种大规模快速合成碳量子点的装置

技术领域

本实用新型涉及碳量子点合成技术领域，具体涉及一种快速合成碳量子点的装置。

背景技术

碳量子点是荧光材料中重要的一种，一种尺寸小于10nm，几何形状近似球形的新兴的碳材料，通常也称作为碳点。与传统的半导体量子点和有机染料相比，发光碳量子点具有高水溶性、强化学稳定性、易于功能化、抗光漂白性以及优异的生物特性，同时具有良好的生物相容性，在生物医学（生物成像、生物传感、药物传输等）有潜在的应用前景。同时，碳量子点具有优良的光电性质，既可以作为电子给体又可以作为电子受体，这使得它在光电子、催化和传感等领域有广泛的应用价值。

碳量子点的合成方法主要分成两类：自上而下法和自下而上法。自上而下法包括：电弧放电、电化学氧化、激光刻蚀、水热切割、化学氧化；自下而上法包括：热分解法、微波法、燃烧法、溶液化学。而最常用的合成方法是溶液化学法，溶液化学法是一种成本低廉，环境友好的制备方法，可以选择各种各样的前驱体进行水热反应，例如：葡萄糖、壳聚糖、柠檬酸、香蕉汁等。Mohapatra等人通过简单的一步水热反应，利用橘汁合成具有高荧光量子产率的碳点（Sahu S, Behera B, Maiti T K, et al. 2012, 48(70):8835.）。碳量子点溶液在常温下放置一年以上，都不会产生沉淀或者出现荧光衰减的现象。但是，这种合成方法不能连续合成，产率低，并且不能满足在合成碳量子点后需要严格的后续处理。

因此，研究出能够实现碳量子点大规模快速生产的装置及生产方法，将有利于改变碳量子点的生产现状，使碳量子点得到更广泛的应用。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种大规模快速合成碳量子点的装置。该装置结构简单、微型化、成本低、易于制备和操作。

本实用新型合成碳量子的效率高，产率大，合成的碳量子点荧光效率高，解决了现有的制备碳量子点方法因工艺和原料限制无法快速大规模生产、生产效率差、荧光效率低等问题。

本实用新型的目的通过如下方法实现。

一种大规模快速合成碳量子点的装置，其包括前驱物溶液容器、磁力泵、微通道反应器、温控仪和产物收集容器；

所述前驱物溶液容器通过第一连接管与磁力泵的进口端连接；所述磁力泵的出口端与微通道反应器的进口端连接，且连接管线上具有止回阀，磁力泵的出口端与止回阀连接段的管道为第二连接管，止回阀与微通道反应器的进口端连接段的管道为第三连接管；所述微通道反应器的出口端与产物收集容器通过第四连接管连接；所述产物收集容器通过恒压管与大气连通；

所述微通道反应器内设置有加热棒进行反应加热，且加热棒与带有热电偶的温控仪连接，精确控制微通道反应器内的反应加热温度。

进一步地，所述第一连接管和第二连接管的材料均为聚四氟乙烯。

进一步地，所述第三连接管和第四连接管的材料均为不锈钢。

进一步地，所述第一连接管、第二连接管、第三连接管和第四连接管的内外径均相同，内径均为1.5 mm~3mm，外径均为4~6mm。

进一步地，所述微通道反应器内的微流道的形状为直线形、双蛇形或蛇形。

采用上述的装置大规模快速合成碳量子点的过程如下：

（1）将柠檬酸溶解于装有去离子水的前驱物溶液容器中，加入表面修饰剂，搅拌均匀，得到前驱物溶液；

（2）通过磁力泵将前驱物溶液泵入微通道反应器中，加热条件下进行反应，反应产物用产物收集容器收集，并在冰水浴中快速冷却；

（3）将冷却后的产物透析，收集透析液，真空干燥，得到碳量子点。

进一步地，步骤（1）中，所述表面修饰剂为乙二胺。

进一步地，步骤（1）中，所述表面修饰剂与去离子水的体积比为0.008~0.1:1。

进一步地，步骤（1）中，所述柠檬酸在前驱物溶液的浓度为0.0375 g/mL。

进一步地，步骤（2）中，前驱物溶液在微通道反应器中的流速为16 ~160ml/min。

进一步地，步骤（2）中，所述加热的温度为80~240℃。

进一步地，步骤（2）中，所述冰水浴的冷却温度为0~5℃，冷却至室温。

进一步地，步骤（3）中，所述透析是用1000Da的透析袋进行蒸馏水透析，透析时间为24~48 h。

进一步地，步骤（3）中，所述真空干燥是在真空度1MPa、温度120℃干燥10~20 h。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点和有益效果：

（1）本实用新型的装置结构简单、微型化、成本低、易于制备和操作，采用本实用新型装置合成碳量子点不需要进行后期表面处理；

（2）本实用新型的装置中的微通道反应器可灵活用各种形状的微流道替换，适用于不同的反应条件，能够连续快速合成碳量子点；同时，基于不同的流速、反应温度和前驱物配比，可实现连续合成荧光光谱可调的高质量碳量子点；

（3）本实用新型方法合成的碳量子点荧光效率高，尤其在使用直线形微流道的微通道反应器时，得到碳量子点的荧光效率最高，可达60.1%，合成的碳量子点可用于包括金属离子检测、生物成像、LED或太阳能光伏等领域；

（4）本实用新型方法合成碳量子点的效率高，合成速度快，产率大，60mL前驱物溶液的整个反应过程不超过5分钟，可用于连续大规模合成，使碳量子点的产能无限扩大。

附图说明

图1为具体实施例中大规模快速合成碳量子点的装置用于合成量子点过程的整体组装示意图；

图2为具体实施例中大规模快速合成碳量子点的装置中的微通道反应器的直线形微流道结构示意图；

图3为具体实施例中大规模快速合成碳量子点的装置中的微通道反应器的双蛇形微流道结构示意图；

图4为具体实施例中大规模快速合成碳量子点的装置中的微通道反应器的蛇形微流道结构示意图；

图5为实施例1、实施例2和实施例3中分别采用直线形、双蛇形以及蛇形三种微通道合成的碳量子点的荧光效率图。

具体实施方式

以下结合具体实施例以及附图对本实用新型技术方案作进一步详细描述，但本实用新型的保护范围不限于此。

如图1所示，为具体实施例中大规模快速合成碳量子点的装置的整体示意图，包括盛装前驱物溶液用的烧瓶2-1、磁力泵4、微通道反应器8、温控仪14和收集产物用的集液烧瓶2-2；

烧瓶2-1放置在磁力搅拌器1上，盛装前驱物溶液用的烧瓶2-1通过第一连接管3-1与磁力泵4的进口端连接；磁力泵4的出口端与微通道反应器8的进口端连接，且连接管线上具有止回阀5，磁力泵4的出口端与止回阀5连接段的管道为第二连接管3-2，止回阀5与微通道反应器8的进口端连接段的管道为第三连接管6-1；微通道反应器8的出口端与收集产物用的集液烧瓶2-2通过第四连接管6-2连接；收集产物用的集液烧瓶2-2通过恒压管10与大气连通，且收集产物用的烧瓶放置在冰水槽12中，冰水槽12中的冰水温度为0~5℃；

其中，第一连接管3-1和第二连接管3-2的材料均为聚四氟乙烯，第三连接管6-1和第四连接管6-2的材料均为不锈钢；第一连接管3-1、第二连接管3-2、第三连接管6-1和第四连接管6-2的内外径均相同，内径均为1.5 mm~3mm，外径均为4~6mm；第三连接管6-1的长度为15~20mm，第四连接管6-2的长度为40~60mm；

微通道反应器8由上盖板7和下盖板9夹住微流道和密封硅胶，并用螺栓拧紧；微通道反应器8内设置有4根加热棒13进行反应加热，且加热棒13与带有热电偶15的温控仪14连接，精确控制微通道反应器8内的反应加热温度；

具体实施例中大规模快速合成碳量子点的装置中的微通道反应器8内的微流道包括直线形微流道（结构示意图如图2所示）、双蛇形微流道（结构示意图如图3所示）或蛇形微流道（结构示意图如图4所示）。

采用上述装置大规模快速合成碳量子点，且分别采用不同形状微流道的微通道反应器进行替换。

实施例1

大规模快速合成碳量子点，采用的装置中微通道反应器的微流道的形状为直线形，具体合成包括如下步骤：

（1）将2.25g柠檬酸和0.5 ml乙二胺混合并加入60mL的去离子水，搅拌均匀，得到前驱物混合溶液；

（2）通过磁力泵将前驱物溶液泵入直线形微通道反应器中，加热至80℃进行反应，前驱物溶液在直线形微通道反应器中的流速为16 ml/min，共用时4.86 min；

（3）将步骤（2）反应得到的产物由集液烧瓶收集，并在0℃冰水浴中快速冷却至室温；

（4）将冷却得到的无色液体注入1000Da的透析袋中进行蒸馏水透析，透析24h，收集透析袋中的液体，于真空度为1MPa、120℃真空干燥10小时，获得碳量子点。

实施例2

大规模快速合成碳量子点，采用的装置中微通道反应器的微流道的形状为双蛇形，具体合成包括如下步骤：

（1）将2.25g柠檬酸和3 ml乙二胺混合并加入60 mL的去离子水，搅拌均匀，得到前驱物混合溶液；

（2）通过磁力泵将前驱物溶液泵入双蛇形微通道反应器中，加热至160℃进行反应，前驱物溶液在双蛇形微通道反应器中的流速为80 ml/min，共用时3.32 min；

（4）将冷却得到的无色液体注入1000Da的透析袋中进行蒸馏水透析，透析36h，收集透析袋中的液体，于真空度为1MPa、120℃真空干燥15小时，获得碳量子点。

实施例3

大规模快速合成碳量子点，采用的装置中微通道反应器的微流道的形状为蛇形，具体合成包括如下步骤：

（1）将2.25g柠檬酸和6 ml乙二胺混合并加入60 mL的去离子水，搅拌均匀，得到前驱物混合溶液；

（2）通过磁力泵将前驱物溶液泵入蛇形微通道反应器中，加热至240℃进行反应，前驱物溶液在蛇形微通道反应器中的流速为40 ml/min，共用时4.32 min；

（4）将冷却得到的无色液体注入1000 Da的透析袋中进行蒸馏水透析，透析24h，收集透析袋中的液体，于真空度为1MPa、120℃真空干燥20小时，获得碳量子点。

实施例1、实施例2和实施例3中分别采用直线形、双蛇形以及蛇形三种微通道合成的碳量子点的荧光效率图如图5所示，根据图中碳量子点构成直线的斜率和硫酸奎宁点构成直线的斜率的比值乘以硫酸奎宁的量子产率（硫酸奎宁为标准量，其量子产率为54%）计算得出量子产率，其中，采用直线形、双蛇形以及蛇形三种微通道合成的碳量子点的荧光效率分别为60.1%、32.5%以及7.54%。

实施例4

（2）通过磁力泵将前驱物溶液泵入直线微通道反应器中，加热至240℃进行反应，前驱物溶液在微通道反应器中的流速为120ml/min，共用时2.96 min；

（4）将冷却得到的无色液体注入1000Da的透析袋中进行蒸馏水透析，透析48 h，收集透析袋中的液体，于真空度为1MPa、120℃真空干燥20小时，获得碳量子点。

合成的碳量子点的荧光效率为37%。

实施例5

（2）通过磁力泵将前驱物溶液泵入蛇形微通道反应器中，加热至240℃进行反应，前驱物溶液在蛇形微通道反应器中的流速为160ml/min，共用时1.96 min；

（3）将步骤（2）反应得到的产物由集液烧瓶收集，并在5℃冰水浴中快速冷却至室温；

（4）将冷却得到的无色液体注入1000Da的透析袋中进行蒸馏水透析，透析24h，收集透析袋中的液体，于真空度为1MPa、120℃真空干燥15小时，获得碳量子点。

合成的碳量子点的荧光效率为6.2%。

以上实施例仅为本实用新型较优的实施方式，仅用于解释本实用新型，而非限制本实用新型，本领域技术人员在未脱离本实用新型精神实质下所作的改变、替换、修饰等均应属于本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种大规模快速合成碳量子点的装置，其特征在于，包括前驱物溶液容器（2-1）、磁力泵（4）、微通道反应器（8）、温控仪（14）和产物收集容器（2-2）；

所述前驱物溶液容器（2-1）通过第一连接管（3-1）与磁力泵（4）的进口端连接；所述磁力泵（4）的出口端与微通道反应器（8）的进口端连接，且连接管线上具有止回阀（5），磁力泵（4）的出口端与止回阀（5）连接段的管道为第二连接管（3-2），止回阀（5）与微通道反应器（8）的进口端连接段的管道为第三连接管（6-1）；所述微通道反应器（8）的出口端与产物收集容器（2-2）通过第四连接管（6-2）连接；所述产物收集容器（2-2）通过恒压管（10）与大气连通；

所述微通道反应器（8）内设置有加热棒（13）进行反应加热，且加热棒（13）与带有热电偶（15）的温控仪（14）连接，精确控制微通道反应器（8）内的反应加热温度。

2.根据权利要求1所述的一种大规模快速合成碳量子点的装置，其特征在于，所述第一连接管（3-1）和第二连接管（3-2）的材料均为聚四氟乙烯；所述第三连接管（6-1）和第四连接管（6-2）的材料均为不锈钢；所述微通道反应器（8）内的微流道的形状为直线形、双蛇形或蛇形。

3.根据权利要求1所述的一种大规模快速合成碳量子点的装置，其特征在于，所述第一连接管（3-1）、第二连接管（3-2）、第三连接管（6-1）和第四连接管（6-2）的内外径均相同，内径均为1.5 mm~3mm，外径均为4~6mm。