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碳量子点方向优秀论文范文赏析——碳量子点及其复合材料的制备与光学性能研究

分类:期刊常识 时间: 2025年7月26日 星期六 热度:429

  摘要:碳量子点(CQDs)作为一种新兴碳纳米材料,具有制备简单、毒性低、光学稳定性好等优点,在生物成像、化学传感等领域展现出广阔应用前景。本研究针对 CQDs 产量低、应用范围窄、磷光研究少等问题,通过优化合成策略,制备了不同性能的荧光 CQDs,并将其复合到多种基质中,构建了荧光 / 磷光双发射复合材料,具体内容如下:

  以异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)为单一碳源,微波法制备氮掺杂 CQDs(N-doped CQDs),产率高达 83%,可规模化生产。该 CQDs 可均匀分散于有机溶剂和单体中,与聚氨酯(PU)复合后在紫外光下发射蓝色荧光,紫外灯熄灭后呈现室温磷光,且磷光对氧气具有响应性,可用于氧气传感。

  以 N-doped CQDs 为原料,一步水热法制备两亲性 CQDs(ACDs),其具有良好的水溶性、光学稳定性和低毒性,对 Fe³⁺检测范围宽(0-200mM),最低检测限 1.62μM,且可用于单 / 双光子细胞成像。将 ACDs 复合到 PU 和聚乙烯醇(PVA)中,复合材料均具有室温磷光,其中 ACD/PVA 复合材料磷光寿命长达 450ms。

  制备表面含羧基的 CQDs,与三聚氰酸钠(CANa)复合,通过调节 pH 值调控磷光性能。当 pH=11.5 时,复合材料磷光寿命达 700ms,效率 15%,为水下磷光寿命最长、效率最高的 CQD 基材料,可用于 Fe³⁺检测和白光 LED 制备。

  关键词:碳量子点;荧光;磷光;复合材料;光学性能

  1 绪论

  1.1 碳量子点的制备

  1.1.1 制备方法

  自上而下法:包括电弧放电法、激光刻蚀法、电化学氧化法等,可将大尺寸碳材料剥离为纳米级 CQDs,但产量低、提纯困难。

  自下而上法:以有机小分子为前驱体,通过燃烧法、模板法、水热 / 溶剂热法、微波法等制备,其中微波法效率高、操作简便,适合规模化生产。

  1.1.2 杂原子掺杂

  氮掺杂可提高 CQDs 荧光量子产率,改变电子结构;磷、硼等杂原子掺杂可调控光学性能,拓宽应用领域。

  共掺杂(如氮硫共掺杂)可协同优化 CQDs 性能,增强其在传感和成像中的应用效果。

  1.1.3 表面修饰

  通过表面钝化或功能化修饰(如 PEG、硅烷偶联剂),可改善 CQDs 水溶性、生物相容性,减少团聚,提升荧光稳定性。

  1.1.4 大规模制备

  利用生物基材料(如果汁、蛋清)或有机小分子(如柠檬酸)为原料,通过优化合成条件(如温度、时间),可提高 CQDs 产量,实现工业化生产。

  1.2 碳量子点的形成机理

  CQDs 的形成通常经历前驱体聚合、碳化、成核裂变等过程。例如,IPDI 在微波辐射下先自聚形成预聚物,预聚物高温分解后经成核裂变生成 N-doped CQDs。

  1.3 碳量子点的结构与光学性能

  1.3.1 结构

  CQDs 一般为近球形,粒径 < 10nm,由碳核和表面态组成,表面含羟基、羧基等官能团。

  碳核结构包括类金刚石、石墨烯或无定形结构,取决于合成原料和方法。

  1.3.2 光学性能

  荧光特性:具有激发依赖性,发射波长随激发波长红移,量子产率可通过掺杂和表面修饰提高。

  磷光特性:室温磷光源于激发三线态辐射跃迁,需通过基质固定减少非辐射跃迁,如 CQDs/PU 复合材料中 PU 基质通过氢键抑制三线态猝灭。

  1.4 碳量子点的应用

  化学传感:基于荧光猝灭或增强机制,可检测金属离子(如 Fe³⁺、Hg²⁺)、生物分子(如谷胱甘肽)。例如,ACDs 对 Fe³⁺的检测范围达 0-200mM,最低检测限 1.62μM,机理归因于内滤效应。

  光催化:与 TiO₂、Fe₂O₃等复合,增强可见光吸收和光生载流子分离,用于 CO₂还原、H₂制备及污染物降解。

  能源器件:作为荧光粉用于白光 LED,与聚合物基质复合调节发光颜色,如 CDs/CANa 复合材料在 pH=11.5 时可制备高显色指数的 LED。

  1.5 本论文的研究目的及主要研究内容

  目的:解决 CQDs 产量低、水溶性 / 油溶性单一、磷光研究少及固相应用受限等问题。

  内容:

  高产量 N-doped CQDs 的制备及其 PU 复合材料磷光性能研究。

  两亲性 ACDs 的合成及其在离子检测、细胞成像和聚合物复合中的多功能应用。

  表面态调控制备长寿命 CQD 基室温磷光材料,探索其在化学传感和 LED 中的应用。

  2 高产量氮掺杂碳量子点的制备及其磷光性能研究

  2.1 引言

  现有 CQDs 产量低(毫克级),固相应用需有机溶剂分散,磷光研究局限于少数基质。本研究以 IPDI 为单碳源,微波法制备高产量 N-doped CQDs,探索其在 PU 基质中的磷光特性。

  2.2 实验部分

  原料:IPDI、乙醇、二月桂酸二丁基锡等。

  合成方法:8g IPDI 在 700W、250℃微波辐射 10min,乙醇溶解、透析、减压蒸馏得 N-doped CQDs(产率 83%)。

  复合材料制备:CQDs 与 IPDI 超声分散,加入聚四氢呋喃、1,4 - 丁二醇和催化剂,80℃固化得 CQDs/PU 复合材料。

  2.3 结果与讨论

  形貌与结构:TEM 显示 CQDs 粒径 2.0-5.5nm,无定型结构;FTIR 和 XPS 证实表面含 C=O、N-H 等基团。

  光学性能:乙醇溶液在 365nm 激发下发蓝色荧光,量子产率 11%,具有上转换荧光特性;CQDs/PU 复合材料在紫外光下荧光发射峰蓝移,紫外灯熄灭后可见室温磷光,寿命 8.7ms,对氧气敏感。

  形成机理:IPDI 先自聚形成碳化二亚胺和多聚体,高温下分解成核裂变生成 CQDs。

  2.4 结论

  成功制备产率 83% 的 N-doped CQDs,可均相分散于 PU 基质,复合材料兼具荧光和室温磷光,磷光对氧气响应,为氧气传感提供新材料。

  3 两亲性碳量子点的合成及其多功能应用

  3.1 引言

  油溶性 CQDs 限制水相应用,水溶性 CQDs 难以分散于油相。本研究以 N-doped CQDs 为原料,水热法制备两亲性 ACDs,拓展其在多领域的应用。

  3.2 实验部分

  原料:N-doped CQDs、去离子水。

  制备方法:50mg N-doped CQDs 在 180℃水热反应 3h,离心、过滤、冷冻干燥得 ACDs。

  应用测试:Fe³⁺检测、MTT 细胞毒性实验、单 / 双光子细胞成像及 PU/PVA 复合材料制备。

  3.3 结果与讨论

  结构与性能:TEM 显示 ACDs 粒径 3.2-6.5nm,表面含羧基、氨基,水溶性和油溶性良好,抗光漂白性强,pH=4-11 时荧光稳定。

  传感与成像:对 Fe³⁺检测线性范围 25-200μM,最低检测限 1.62μM;细胞毒性低,15min 内可进入细胞质,实现 800nm 激光激发的双光子成像。

  3.4 结论

  开发绿色水热法制备两亲性 ACDs,兼具高荧光量子产率(20%)、低毒性与双亲性,可用于 Fe³⁺检测与双光子成像。首次实现 ACDs 在 PU/PVA 基质中的磷光发射,为 CQDs 在光学器件中的应用提供新思路。

  4 表面态调控制备长寿命碳点基室温磷光材料

  4.1 引言

  纯有机室温磷光材料性能差,水相应用受限。本研究通过调节 CQDs 表面羧基去质子化程度,结合三聚氰酸钠(CANa)基质氢键作用,制备水下长寿命磷光材料。

  4.2 实验部分

  原料:叶酸、柠檬酸、三聚氰酸、NaOH 等。

  合成方法:叶酸与柠檬酸水热制备 CQDs,与 CANa 混合调节 pH 值,离心得 CDs/CANa 复合材料。

  性能测试:荧光 / 磷光光谱、pH 响应性、Fe³⁺检测及 LED 制备。

  4.3 结果与讨论

  结构与性能:CQDs 粒径 2.0-5.5nm,表面富羧基;CDs/CANa 复合材料在 pH=11.5 时磷光寿命 700ms,效率 15%,为水下最长寿命磷光材料,机理为羧基去质子化优化电子云密度,CANa 与 CQDs 形成强氢键固定发光基团。

  化学传感与 LED:CDs/CANaₚₕ=₇.₃对 Fe³⁺检测限 21-24pM,双发射信号提升检测可靠性;CDs/CANaₚₕ=₁₁.₅复合粉制备的 LED 发光效率高,CIE 指数(0.22, 0.26)。

  4.4 本章小结

  提出 pH 调控磷光新策略,制备的 CDs/CANa 复合材料在水下具长寿命、高效率磷光,拓展了 CQDs 在湿环境传感与照明领域的应用。

  5 结论与展望

  5.1 论文总结

  制备产率 83% 的 N-doped CQDs,其 / PU 复合材料具氧气响应性磷光;开发两亲性 ACDs,实现 Fe³⁺检测与双光子成像,ACD/PVA 磷光寿命 450ms;构建 pH 调控的 CDs/CANa 磷光体系,水下寿命 700ms,用于传感与 LED。

  5.2 主要创新点

  首次制备高产量氮掺杂 CQDs,发现其 / PU 复合材料磷光对氧气响应。

  提出两亲性 CQDs 制备新策略,实现聚合物基质中的高效磷光发射。

  实现 CQD 基材料磷光性能可控调节,获得水下长寿命磷光材料。

  5.3 未来展望

  研发固态发光 CQDs,解决固相荧光猝灭问题;合成长波段(黄 / 红光)发光 CQDs;提高两亲性 CQDs 荧光量子产率;拓展 CQD 基磷光材料在光电器件与生物医学中的应用。

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