KR101663748B1 - 질소 도핑된 탄소양자점의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 질소 도핑된 탄소양자점의 제조방법에 관한 것으로서, (ⅰ) 에탄디아민(ethanediamine)이 첨가된 탈이온수에 알긴산을 첨가, 혼합하여 질소 도핑되지 않은 탄소양자점을 포함하는 용액을 제조하는 공정; (ⅱ) 열처리장치를 이용하여 상기의 질소로 도핑되지 않은 탄소양자점을 포함하는 용액을 열처리하여 질소 도핑된 탄소양자점을 포함하는 흑갈색 용액을 제조하는 공정; (ⅲ) 상기 질소 도핑된 탄소양자점을 포함하는 흑갈색 용액을 초음파로 처리하는 공정; (ⅳ) 초음파 처리된 상기 흑갈색 용액을 원심분리하는 공정; 및 (ⅴ) 원심분리된 상기 흑갈색 용액을 투석하는 공정;을 포함한다.
본 발명은 종래 사용되는 양자점(Quantum dot)에 비해 낮은 비용에도 불구하고 더 높은 화학적 안정성과 수용성을 가지며 독성이 낮아 생체적합성이 높아지기 때문에 바이오 분야에 적용되기 적합하다. 본 발명으로 제조된 탄소양자점은 산성을 띄는 물 환경에서 Fe3 + 이온 검출에 유용하다.
본 발명은 종래 사용되는 양자점(Quantum dot)에 비해 낮은 비용에도 불구하고 더 높은 화학적 안정성과 수용성을 가지며 독성이 낮아 생체적합성이 높아지기 때문에 바이오 분야에 적용되기 적합하다. 본 발명으로 제조된 탄소양자점은 산성을 띄는 물 환경에서 Fe3 + 이온 검출에 유용하다.
Description
본 발명은 질소 도핑된 탄소양자점의 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 강력하고 높은 발광특성을 가지는 질소가 도핑되어 산성화된 하천수 등에서 Fe3 +를 검출할 수 있는 질소 도핑된 탄소양자점의 제조방법에 관한 것이다.
양자점은 10㎚ 내외의 금속 또는 반도체 결정을 일컫는 말로 보통 수백에서 수천 개 가량의 원자로 구성되어 있다. 일반적으로 양자점은 단일 원자와 벌크 재료 사이의 중간적 물성을 보이며 특히 작은 공간에 구속된 전자의 양자 제한 효과(quantum confinement effect)에 의해 밴드갭(band-gap)이 크기에 반비례하는 특징을 나타낸다. 이러한 특징을 이용하면 화학적 조성의 변화 없이 에너지 구조를 조절할 수 있기 때문에 태양전지, 발광소자, 광촉매, 트랜지스터, 센서, 바이오이미징 등 다양한 분야에 응용 가능하다. 양자점은 스스로 빛을 내는 몇 나노미터(㎚) 크기의 반도체 결정체로, 색 재현성이 유기발광다이오드(OLED)보다 10% 이상 높아 광학적 특성이 우수하다. 하지만 지금까지 양자점은 주로 유해성 광물인 카드뮴계 화합물로 만들어졌다. 카드뮴 사용이 엄격이 제한되고 있는데다 제조 공정도 까다로워 새로운 대체 소재의 필요성이 계속 제기돼 왔다. 인화인듐(InP)이 대안으로 관심 받고 있지만 인듐 역시 희소 물질인데다 효율성 또한 낮다.
1980년대 초 컬럼비아대 루이스 브루스(Louis Brus) 교수팀이 콜로이드 상태의 양자점을 발견하였고, 1993년 MIT 모운지 바웬디(Moungi Bawendi) 교수팀이 효율적인 습식 합성법을 개발하면서 카드뮴(Cd), 인듐(In), 납(Pb) 등 다양한 재료를 이용한 양자점에 대한 연구가 진행되고 있다. 현재까지 반도체 양자점에 대한 연구는 Ⅱ-Ⅵ족(CdSe, CdS, CdTe, ZnSe, 등) 및 Ⅲ-Ⅴ족(InP, GaAs, Gap, GaN 등) 단일 물질 또는 코어/쉘(core/shell)과 같이 구조를 변경하여 광전, 바이오, 에너지 소자 등에 응용한 것이 주를 이루었다.
그러나 대부분의 양자점이 유독한 중금속 재료를 이용할 뿐만 아니라 공기 중의 산소와 수분에 취약하여 이용에 많은 제약이 따른다. 따라서 안전하고 안정한 탄소양자점에 대한 관심이 최근 급증하고 있다.
탄소양자점은 수 nm 크기의 탄소 입자로 2004년 사우스캐롤라이나대 월터 스크리벤스(Walter scrivens)교수팀이 검댕을 정제하는 과정에서 우연히 발견하였으며 최근 효율적인 합성법 개발을 목표로 많은 연구가 진행되고 있다. 탄소 양자점은 비정질(amorphous)탄소형 나노구조로, 다이아몬드형 나노구조인 나노 다이아몬드와 흑연(Graphite)형 나노구조인 그래핀, 나노튜브, 풀러렌과 구별되는 완전히 새로운 종류의 물질이다. 21세기 들어 다양한 탄소 나노구조들, 특히 그래핀, 나노튜브, 풀러렌의 형태와 물성에 대한 규명이 상당 부분 이루어진 반면 탄소 양자점이 나타내는 다양한 물성에 대한 연구는 부족한 실정이다. 탄소 양자점은 값싸고 안전한 재료를 이용할 뿐만 아니라 생체적합성과 안정성을 두루 갖추고 있어 기존 양자점의 단점을 보완할 수 있는 후보로 각광받고 있다.
탄소양자점은 가시광선 영역의 광학적 밴드갭을 갖는 것으로 알려져 있으며, 이에 특정한 조건이 갖춰질 경우 발광 현상을 관찰할 수 있다. 일반적으로 자외선을 받아 파란색에서 초록색 사이의 빛을 방출하며 이러한 발광 현상에는 내부의 탄소이중결합에 의한 π-π* 오비탈과 표면에 존재하는 다양한 화학기능기가 중요한 역할을 담당하는 것으로 알려져 있으나 정확한 원리는 아직까지 밝혀지지 않았다. 일반적인 양자점의 경우 크기와 밴드갭이 반비례 관계에 있는 것과는 달리 탄소 양자점의 경우 특정한 관계가 없거나 오히려 비례하는 것으로 보고되고 있으며 밴드갭에 영향을 미치는 인자가 불분명하기 때문에 밴드갭 조절이 용이하지 못한 실정이다. 따라서 대부분의 탄소 양자점이 빨간색 등 장파장 영역의 빛을 방출하지 못하며 이러한 단점은 탄소 양자점 관련 응용 연구에 있어 큰 장애물로 작용하고 있다. 그러나 대부분의 양자점이 유독한 중금속 재료를 이용할 뿐만 아니라 공기 중의 산소와 수분에 취약하여 이용에 많은 제약이 따른다. 따라서 안전하고 안정한 탄소 양자점에 대한 관심이 최근 급증하고 있다.
탄소양자점 합성법은 크게 탑다운(top-down)과 바텀업(bottom-up) 방식으로 나뉜다. 탑다운 방식은 흑연 등의 탄소 덩어리를 물리, 화학적으로 잘게 부수어 나온 조각들 중 탄소 양자점을 분류해 사용하며 대표적으로 아크 방전(arc discharge) 방법, 레이저 박리(laser ablation) 방법, 전기화학 산화(electrochemical oxidation) 방법 등이 있다. 바텀업 방식은 포도당, 유기산 등의 탄수화물에 열을 가해 탄화 반응을 일으켜 탄소 양자점을 형성하며 대표적으로 습식 산화(wet oxidation) 방법, 마이크로웨이브(microwave) 방법, 고열 주입(hot-injection) 방법, 수열(hydrothermal) 방법 등이 널리 쓰이고 있다. 최근에는 고온, 강산, 특수 장비 등이 필요한 탑다운 방식에 비해 상대적으로 간단하고 반응 수득률이 높은 바텀업 방식이 주로 쓰이고 있으며, 특히 마이크로웨이브법과 열수법 관련 연구가 많은 관심을 받고 있다. 그러나 아직까지 대부분의 합성법에서 탄소양자점의 크기 조절이 불가능하고 별도의 크기 분류과정을 필요로 하며 사용할 수 있는 용매가 제한적이다.
현재 탄소양자점의 제조방법은 레이저 증착법을 이용하여 밝고 다양한색의 광발광을 위한 탄소양자점 합성법(Ya-Ping Sun, et al., J. Am. Chem. Soc., 128, 24, 7756-7757, 2006)과 글리세롤의 열분해로부터 높은 방사성의 탄소 양자점의 손쉬운 합성법(Chih-Wei Lai, et al., J. Mater. Chem., 22, 14403-14409, 2012), 그라파이트 옥사이드(Graphite oxide)로부터 형광성 탄소양자점의 마이크로웨이브-하이드로써빌(Microwavehydrothermal) 합성법(Qinlong Wang, et al., 49, 9, 3140-3134, 2011)이 있다. 또한 중국의 한 연구팀에서 값이 싼 활성탄소를 이용하여, 한 단계의 산화반응을 통해 여러 가지 색을 나타내는 새로운 포토루미노센트 (photoluminoscent) 탄소양자점 합성법(Zhen-An Qiao, et al., Chem. Commun., 2010,46, 8812-8814)을 개발 하였으며, 젤라틴으로부터의 높은 형광성 탄소양자점의 합성법(Qinghua Liang, et al., Carbon, 60, 421-428, 2013)과, 최근 포항공대 화학공학과 이시우 교수 연구실에서 개발한 계면활성제를 함유한 기름에 포도당 수용액을 넣어 만든 역마이셀(reverse micelle) 형태의 유화액(emulsion)을 통해 균일한 크기의 탄소양자점 소재를 효율적으로 합성할 수 있는 '소프트-템플레이트에멀전 합성법'등이 있으나, 양자점 소재는 크기와 모양에 따라 물성이 달라지기 때문에 균일한 크기의 양자점 소재를 만드는 기술은 매우 중요하다. 그러나 아직까지 대부분의 합성법에서 탄소양자점의 크기 조절이 불가능하고 별도의 크기 분류과정을 필요로 하며 사용할 수 있는 용매가 제한적인 어려움이 있다.
1996년 풀러렌이 노벨 화학상을 받은 데 이어 2010년 그래핀이 노벨 물리학상을 받음으로써 탄소 나노구조에 대한 과학계의 관심을 다시 한 번 입증하였다. 탄소 양자점은 기존의 다이아몬드형 또는 흑연형 나노구조와는 다른 비정질탄소형 나노구조로 그 성질이 기존의 탄소 나노구조와는 확연히 다르기 때문에 탄소 양자점의 구조와 물성을 규명하는 연구는 풀러렌과 그래핀에 버금가는 과학기술적 의의를 가질 것으로 보인다. 또한 탄소 양자점은 값싸고 안전한 원료를 이용할 뿐만 아니라 생체적합성과 안정성을 두루 갖추고 있어 다양한 산업, 특히 에너지, 환경, 바이오 분야에서 그 효용이 클 것으로 기대되고 있다. 이에 최근 탄소양자점 관련응용연구가 널리 이루어지고 있으며 특히 탄소양자점의 광발광(photoluminescence) 또는 전기발광(electroluminescence) 현상을 이용한 바이오 이미징과 발광 소자 관련 연구가 학계의 큰 주목을 받고 있다.
본 발명의 과제는 일반적으로 사용되는 반도체 기반의 양자점(quantum dot)과 비교하였을 때 저비용, 높은 화학적 안정성, 높은 수용성, 낮은 독성과 높은 생체적합성을 가지는 탄소양자점 위에 질소를 도핑 하여 산성조건에서 발광특성이 뛰어나게 향상되어 산성화된 하천수 등에서 Fe3 +를 검출할 수 있는 질소 도핑된 탄소양자점을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
이와같은 과제를 달성하기 위해서, 본 발명은 (ⅰ) 에탄디아민(ethanediamine)이 첨가된 탈이온수에 알긴산을 첨가, 혼합하여 질소 도핑되지 않은 탄소양자점을 포함하는 용액을 제조하는 공정; (ⅱ) 열처리장치를 이용하여 상기의 질소로 도핑되지 않은 탄소양자점을 포함하는 용액을 열처리하여 질소 도핑된 탄소양자점을 포함하는 흑갈색 용액을 제조하는 공정; (ⅲ) 상기 질소 도핑된 탄소양자점을 포함하는 흑갈색 용액을 초음파로 처리하는 공정; (ⅳ) 초음파 처리된 상기 흑갈색 용액을 원심분리하는 공정; 및 (ⅴ) 원심분리된 상기 흑갈색 용액을 투석하는 공정;을 차례로 거쳐 질소 도핑된 탄소양자점을 제조한다.
본 발명은 종래 사용되는 양자점(Quantum dot)에 비해 낮은 비용에도 불구하고 더 높은 화학적 안정성과 수용성을 가지며 독성이 낮아 생체적합성이 높아지기 때문에 바이오 분야에 적용되기 적합하다. 본 발명으로 제조된 탄소양자점은 산성을 띄는 물 환경에서 Fe3 + 이온 검출에 유용하다.
도 1은 본 발명에 따라 질소 도핑된 탄소양자점을 합성하는 공정 흐름도.
도 2는 본 발명의 실시예 1로 제조한 질소 도핑된 탄소양자점의 고배율 투과전자현미경(HR-TEM) 이미지 사진
도 3은 본 발명의 실시예 1로 제조한 질소 도핑된 탄소양자점의 X선 회절분석(XRD) 분석 그래프.
도 4는 본 발명의 실시예 1로 제조한 질소 도핑된 탄소양자점의 적외선 분광광도계(FT-IR) 분석 그래프.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 실시예 1로 제조한 질소 도핑된 탄소양자점의 광전자분광기(XPS) 분석 그래프.
도 8은 본 발명의 실시예 1로 제조한 질소 도핑된 탄소양자점의 UV-Vis 흡수(absorption) 분석 그래프.
도 9는 본 발명의 실시예 1로 제조한 질소 도핑된 탄소양자점의 광루미네선스(Photoluminescence : 이하 "PL"이라 약칭한다) 방출(emission) 스펙트라 분석 그래프.
도 10은 본 발명의 실시예 1로 제조한 질소 도핑된 탄소양자점의 서로 다른 pH에서의 PL 스펙트라 분석 그래프.
도 11은 본 발명의 실시예 1로 제조한 질소 도핑된 탄소양자점의 pH Value 3 내지 9 사이의 PL 강도(Intensity) 분석 그래프.
도 12는 본 발명의 실시예 1로 제조한 질소 도핑된 탄소양자점의 상대 형광 강도(Relative fluorescence intensity) 분석 그래프.
도 13은 본 발명의 실시예 1로 제조한 질소 도핑된 탄소양자점의 형광 진화(Evolution of the fluorescence) 스펙트라 분석 그래프.
도 14는 본 발명의 실시예 1로 제조한 질소 도핑된 탄소양자점의 Fe3 +의 농도와 F/F0-1의 관계에 대한 분석 그래프.
도 15는 본 발명의 실시예 1로 제조한 질소 도핑된 탄소양자점의 감지 및 복구과정 모식도.
도 16은 본 발명의 실시예 1로 제조한 질소 도핑된 탄소양자점의 PL 붕괴(decay) 커브.
도 17은 본 발명의 실시예 1로 제조한 질소 도핑된 탄소양자점의 PL 스펙트라 분석 그래프.
도 2는 본 발명의 실시예 1로 제조한 질소 도핑된 탄소양자점의 고배율 투과전자현미경(HR-TEM) 이미지 사진
도 3은 본 발명의 실시예 1로 제조한 질소 도핑된 탄소양자점의 X선 회절분석(XRD) 분석 그래프.
도 4는 본 발명의 실시예 1로 제조한 질소 도핑된 탄소양자점의 적외선 분광광도계(FT-IR) 분석 그래프.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 실시예 1로 제조한 질소 도핑된 탄소양자점의 광전자분광기(XPS) 분석 그래프.
도 8은 본 발명의 실시예 1로 제조한 질소 도핑된 탄소양자점의 UV-Vis 흡수(absorption) 분석 그래프.
도 9는 본 발명의 실시예 1로 제조한 질소 도핑된 탄소양자점의 광루미네선스(Photoluminescence : 이하 "PL"이라 약칭한다) 방출(emission) 스펙트라 분석 그래프.
도 10은 본 발명의 실시예 1로 제조한 질소 도핑된 탄소양자점의 서로 다른 pH에서의 PL 스펙트라 분석 그래프.
도 11은 본 발명의 실시예 1로 제조한 질소 도핑된 탄소양자점의 pH Value 3 내지 9 사이의 PL 강도(Intensity) 분석 그래프.
도 12는 본 발명의 실시예 1로 제조한 질소 도핑된 탄소양자점의 상대 형광 강도(Relative fluorescence intensity) 분석 그래프.
도 13은 본 발명의 실시예 1로 제조한 질소 도핑된 탄소양자점의 형광 진화(Evolution of the fluorescence) 스펙트라 분석 그래프.
도 14는 본 발명의 실시예 1로 제조한 질소 도핑된 탄소양자점의 Fe3 +의 농도와 F/F0-1의 관계에 대한 분석 그래프.
도 15는 본 발명의 실시예 1로 제조한 질소 도핑된 탄소양자점의 감지 및 복구과정 모식도.
도 16은 본 발명의 실시예 1로 제조한 질소 도핑된 탄소양자점의 PL 붕괴(decay) 커브.
도 17은 본 발명의 실시예 1로 제조한 질소 도핑된 탄소양자점의 PL 스펙트라 분석 그래프.
아하, 첨부한 도면 등을 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명은 먼저 에탄디아민(ethanediamine)이 첨가된 탈이온수에 알긴산을 첨가, 혼합하여 질소 도핑되지 않은 탄소양자점을 포함하는 용액을 제조한다.
이때 알긴산(Alginic acid)은 갈조류 및 에탄디아민(ethanediamine)으로부터 얻고 실험 전반에 걸쳐 초순수가 사용되며 질산(Nitric acid) 및 수산화나트륨(Sodium hydroxide) 희석액은 탄소양자점(Carbon dot)이 분산된 수용액에 pH값을 조절하기 위해 사용된다. 모든 화학 물질은 추가적인 정제없이 사용된다.
다음으로, 열처리장치를 이용하여 상기의 질소로 도핑되지 않은 탄소양자점을 포함하는 용액을 열처리하여 질소 도핑된 탄소양자점을 포함하는 흑갈색 용액을 제조한다.
이때, 상기 열처리 장치로는 하이드로써밀 장치(Hydrothermal reactor), 진공퍼니스 장치, 오토클레이브 장치, 전자렌지 장치, 초음파 장치, 감마선 장치, 전자선 장치, 이온빔 장치, 중성자빔 장치 또는 자외선 장치 등을 사용할 수 있고, 상기 열처리 장치는 원-포트(one-pot) 타입인 것이 보다 바람직하다.
상기 열처리는 100~250℃에서 1~10시간 동안 실시하는 것이 바람직하다.
다음으로, 상기 질소 도핑된 탄소양자점을 포함하는 흑갈색 용액을 초음파로 처리한다.
다음으로, 초음파 처리된 상기 흑갈색 용액을 원심분리한 다음, 원심분리된 상기 흑갈색 용액을 투석하여 질소 도핑된 탄소양자점을 제조한다.
이때, 원심분리는 5,000~20,000 rpm으로 5분~2시간 정도 실시하고, 투석은 1~7일 정도 실시하는 것이 바람직하다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 살펴본다.
그러나, 본 발명의 보호범위가 하기 실시예 만으로 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다.
실시예
1
0.3㎖의 에탄디아민이 첨가된 탈이온수 5㎖에 0.15g의 알길산을 첨가, 혼합하여 질소 도핑되지 않은 탄소양자점이 혼합된 혼합액을 제조하였다.
다음으로, 상기와 같이 제조된 혼합액을 원-포트(one-pot) 타입의 하이드로써밀 장치에서 180℃로 6시간동안 열처리하여 질소 도핑된 양자점이 분산(포함)된 흑갈색 용액을 제조하였다.
다음으로, 상기와 같이 제조된 흑갈색 용액을 20분 동안 초음파처리 하였다.
다음으로, 상기와 같이 초음파 처리된 흑갈색 용액을 7,500 rpm으로 30분동안 원심분리 하였다.
다음으로 상기와 같이 원심분리 처리된 흑갈색 용액을 2일 동안 투석하여 질소 도핑된 탄소양자점을 제조하였다.
실시예 1로 제조한 질소 도핑된 탄소양자점의 고배율 투과전자현미경(HR-TEM) 이미지 사진은 도 2에서 확인할 수 있으며 여기서 격자 사이의 거리는 약 0.252nm이고, 깨끗한 격자 구조를 볼 수 있다.
도 3은 실시예 1로 제조한 질소 도핑된 탄소양자점의 X선 회절분석(XRD) 분석 그래프로 탄소결정의 겉보기 크기를 특정 짓는 (002)면의 회절피크 21.4°에서 탄소양자점(Carbon dot)의 작은 사이즈에 기인한 완만한 피크를 확인 할 수 있다.
실시예 1로 제조한 탄소양자점의 적외선 분광광도계(FT-IR) 분석 그래프는 도 4이며, 3505와 3290cm-1에서 O-H 와 N-H의 신축진동에 해당되는 피크를 볼 수 있다. 1667-1593cm-1에서 보여지는 강한 피크는 아미드 결합의 신축진동에 기여하며 1490-1272cm-1에서 보여지는 피크는 C=C,C=N,C=C-O의 특성 피크이다. 광전자분광기(XPS)에 의해서 관찰된 N-H와 C=O 결합은 아미드 결합의 생성을 의미한다.
도 5 내지 도 7은 실시예 1로 제조한 질소 도핑된 탄소양자점의 광전자분광(XPS) 분석 그래프이며 도 5에서는 284.5, 285.4, 286.1 및 288.1eV 에서 각각 C=C,C-N,C-O 그리고 C=N/C=O의 피크를 보인다. 도 6에서는 531.1과 532.8eV 두 피크가 나타나는데 이것은 각각 C=O와 C-OH/C-O-C를 나타내며, 도 7에서는 398.6, 399.1, 그리고 399.7eV 특성 피크가 C=N-C, N-(C)3, N-H/NH2 를 나타낸다.
도 8은 실시예 1로 제조한 질소 도핑된 탄소양자점의 UV-vis 흡수(absorption) 분석 그래프로서 282nm와 362nm 두 곳에서 UV-vis 흡수 피크가 나타났다. 282nm에서 나타난 흡수 피크는 일반적으로 카본 코어로부터 방향족 SP2영역의 π-π전이에 해당된다. 326nm에서 관찰되는 피크는 π-π전이에 비해 강하고 폭넓은 피크가 관찰되는데 이것은 n-π전이 및 표면 부분의 특성에 기여하는 것을 의미한다. 도핑처리하지 않은 탄소양자점과 비교하면 질소 도핑된 탄소양자점이 더 큰 피크를 보이는데, 더 강하고 폭넓은 피크는 아미노 그룹 때문이라고 예측할 수 있다.
도 9는 실시예 1로 제조한 질소 도핑된 탄소양자점의 PL 방출(emission) 스펙트라 분석 그래프로서, 도 9에서는 PL발광 스펙트럼이 320nm에서 380nm로 여기될 때 발광 피크가 강해지며 점차 적색파장대로 이동하며 380nm에서 460nm로 여기파장대가 증가하면서 PL 강도가 현격하게 감소한다.
도 10은 실시예 1로 제조한 질소 도핑된 탄소양자점의 pH값에 따른 PL 스펙트라 분석 그래프로서, pH값이 단계적으로 감소함에 따라 PL의 강도가 증가하였다. 이러한 성능은 다양한 pH값에서 질소가 도핑된 탄소양자점의 양성자의 농도에 따라 달라진다. pH값이 감소함에 따라 양성자화의 정도가 점차 높아지고 표면 전하가 더 높아지게 된다. 그리고 높아진 전하는 친수성을 부여한다. 여기에서 제조된 탄소양자점은 pH값 2-5이내에서 강한 PL활성을 보여준다. 그러므로 pH값이 낮은 일반적인 폐수 조건을 고려하여, 이러한 탄소양자점은 강산성으로 오염된 폐수에서 더욱더 효과가 클 것이라 사료된다.
실시예 1로 제조한 질소 도핑된 탄소양자점의 pH3~pH9 사이의 PL 강도 분석 그래프는 도 11과 같았고, pH값이 3~9까지 범위에서 8회 반복하여 실시하였다. 그래프를 분석하면, 산성 조건 하에서 발광 강도는 염기성 환경에 비해 거의 2배에 가까웠다. 상기 관측 및 화학 구조 분석으로부터 탄소양자점의 표면에 아미노기 및 탈 양성자 그리고 양성자의 정도는 PL 강도 변화에 중요한 역할을 한 것으로 보여진다.
실시예 1로 제조한 질소 도핑된 탄소양자점의 상대적인 형광 강도에 관한 분석 그래프는 도 12와 같았고, 도 12에서는 19종류의 양이온에 반응하는 질소 도핑된 탄소양자점의 PL반응의 효과가 나타났다. Fe3 + 이외에 다른 금속은 PL 발광에 영향을 주지 않거나 아주 작은 영향만을 주었다. Fe3 +와 아미노, 하이드록실 또는 탄소양자점의 아미노 그룹사이의 배위 결합에 의해 발광은 사라진다(소광).
실시예 1로 제조한 질소 도핑된 탄소양자점의 Fe3 + 농도 의존적 소광 공정의 형광 진화 스펙트라 분석 그래프는 도 13과 같았고, 이 그래프는 Fe3 +가 점차적으로 첨가됨에 따라 탄소양자점(Carbon dot)의 형광 강도가 단조롭게 감소하는 것을 보여준다. 450nm에서 발광 강도는 Fe3 +의 농도가 5.0×10-3M (소광 효율(F0-F)/F0×100%=82.7%)일 때 거의 완전히 소광된다.
실시예 1로 제조한 질소 도핑된 탄소양자점의 탄소양자점-Fe3 + 시스템의 반응 범위의 그래프는 도 14와 같았고, 도표는 0과0.5mM사이 범위의 Fe3 +농도의 곡률을 표시하였다.
실시예 1로 제조한 질소 도핑된 탄소양자점의 탄소양자점 기반 탐침 감지 및 복구 프로세스의 모식도는 도 15와 같았다.
실시예 1로 제조한 질소 도핑된 탄소양자점의 발광 감소 곡선 그래프(PL 붕괴 커브)는 도 16과 같았고, 탄소양자점과 탄소양자점/Fe3 +의 평균 수명은 각각 8.06ns (nanosecond) 그리고 7.85ns로 나타났다.
실시예 1로 제조한 질소 도핑된 탄소양자점에 인이온(PO4 3-)을 넣어 그 거동을 조사한 탄소양자점, 탄소양자점+Fe3 +, 탄소양자점+Fe3 + +PO4 3-의 PL 스펙트라 그래프는 도 17과 같았고, 여기에서 보는바와 같이 PO4 3-가 탄소양자점보다 Fe3 +와 복합체를 형성하기에 강한 친화력을 가지고 있기 때문에, 탄소양자점에 PO4 3-가 첨가된 이후 폐수에 노출되었을 때 수처리가 더욱 더 용이할 것으로 사료된다.
Claims (6)
- (ⅰ) 에탄디아민(ethanediamine)이 첨가된 탈이온수에 알긴산을 첨가, 혼합하여 질소 도핑되지 않은 탄소양자점을 포함하는 용액을 제조하는 공정;
(ⅱ) 열처리장치를 이용하여 상기의 질소로 도핑되지 않은 탄소양자점을 포함하는 용액을 열처리하여 질소 도핑된 탄소양자점을 포함하는 흑갈색 용액을 제조하는 공정;
(ⅲ) 상기 질소 도핑된 탄소양자점을 포함하는 흑갈색 용액을 초음파로 처리하는 공정;
(ⅳ) 초음파 처리된 상기 흑갈색 용액을 원심분리하는 공정; 및
(ⅴ) 원심분리된 상기 흑갈색 용액을 투석하는 공정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 질소 도핑된 탄소양자점의 제조방법. - 제1항에 있어서, 열처리장치는 하이드로써밀 장치(Hydrothermal reactor), 진공퍼니스 장치, 오토클레이브 장치, 전자렌지 장치, 초음파 장치, 감마선 장치, 전자선 장치, 이온빔 장치, 중성자빔 장치 및 자외선 장치 중에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 질소 도핑된 탄소양자점의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 열처리 장치는 원-포트(one-pot) 타입인 것을 특징으로 하는 질소 도핑된 탄소양자점의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 열처리는 100~250℃에서 1~10시간 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 질소 도핑된 탄소양자점의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 원심분리는 5,000~20,000 rpm으로 5분~2시간 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 질소 도핑된 탄소양자점의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 투석은 1~7일 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 질소 도핑된 탄소양자점의 제조방법.
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Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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