碳量子點(diǎn)及其復(fù)合材料的制備與光學(xué)性能研究.pdf

1、碳量子點(diǎn)(Carbon dots or CQDs)是繼石墨烯、碳納米管、富勒烯后，新出現(xiàn)的一種碳納米材料，其粒徑尺寸一般小于10nm，具有很強(qiáng)的量子限域效應(yīng)。由于其制備方法簡(jiǎn)單，合成成本低，制備出的碳量子點(diǎn)光學(xué)穩(wěn)定性好，毒性低，易于表面功能化，所以在很多領(lǐng)域都受到了廣泛關(guān)注。但目前碳量子點(diǎn)仍然存在一些急需解決的問(wèn)題:(1)產(chǎn)量低碳量子點(diǎn)的產(chǎn)量一般為毫克級(jí)，無(wú)法大規(guī)模生產(chǎn);(2)應(yīng)用范圍窄碳量子點(diǎn)的應(yīng)用主要基于單個(gè)粒子或在水相中的應(yīng)用;(

2、3)磷光研究少目前對(duì)碳量子點(diǎn)光學(xué)性能的研究主要集中在熒光方面。本論文針對(duì)目前碳量子點(diǎn)所存在的一些問(wèn)題，通過(guò)選擇和優(yōu)化合成策略，獲得了不同性能的熒光碳量子點(diǎn)。另外，還將合成的碳量子點(diǎn)復(fù)合到了各種基質(zhì)中，制備了熒光/磷光雙發(fā)射的碳量子點(diǎn)基復(fù)合材料。具體內(nèi)容，主要分為以下三個(gè)部分:
　　在第二章中，我們以異氟爾酮二異氰酸酯(IPDI)為單一碳源，微波輻射法制備了氮摻雜的碳量子點(diǎn)(N-doped CQDs)。該合成方法簡(jiǎn)單、高效，而且未使

3、用有機(jī)溶劑，綠色環(huán)保。更重要的是，我們的合成產(chǎn)率高達(dá)83％，克服了目前碳量子點(diǎn)由于產(chǎn)率低，無(wú)法用于大規(guī)模生產(chǎn)的缺陷。另外，我們還通過(guò)傅里葉紅外光譜法研究了碳量子點(diǎn)的形成機(jī)理，在反應(yīng)過(guò)程中異氰酸酯首先發(fā)生自聚，形成碳化二亞胺、二聚體和多聚體結(jié)構(gòu)，在高溫下碳化二亞胺結(jié)構(gòu)分解，然后通過(guò)成核、裂變形成碳量子點(diǎn)。合成的N-doped CQDs為油溶性的，可以穩(wěn)定的分散于各種常見的有機(jī)溶劑和單體中。我們利用“monomer as solvent”的

4、方法，將碳量子點(diǎn)原位分散到IPDI單體中，合成了碳點(diǎn)/聚氨酯復(fù)合材料。令人驚奇的是，合成的復(fù)合材料不僅在紫外光下發(fā)藍(lán)色熒光，而且在紫外燈熄滅后室溫下還有肉眼可見的余輝現(xiàn)象。該磷光主要來(lái)源于碳量子點(diǎn)表面芳香羰基的激發(fā)三線態(tài)，同時(shí)基質(zhì)與碳量子點(diǎn)之間形成的氫鍵和基質(zhì)本身的剛性，減少了激發(fā)三線態(tài)的非輻射躍遷。另外，復(fù)合材料的磷光還對(duì)氧氣具有一定的響應(yīng)性，可以用于氧氣傳感。
　　第三章中，針對(duì)第二章制備的油溶性碳量子點(diǎn)不能用于水相的問(wèn)題，我

5、們以第二章合成的N-doped CQDs為原料，一步水熱法制備了兩親性碳量子點(diǎn)(ACDs)。該合成方法簡(jiǎn)單、溫和，無(wú)需表面鈍化劑或強(qiáng)酸、強(qiáng)堿處理。制備的ACDs在水中可以穩(wěn)定的存在，光學(xué)穩(wěn)定性好，抗光漂白性強(qiáng)，在pH=4～11范圍內(nèi)熒光強(qiáng)度不變。ACDs對(duì)三價(jià)鐵離子具有很好的響應(yīng)性，檢測(cè)范圍寬(0～200 mM)，最低檢測(cè)限為1.62 mM。另外，ACDs細(xì)胞毒性低，具有熒光上轉(zhuǎn)換特性，被成功的用于單/雙光子細(xì)胞成像。利用ACDs的雙親

6、性特性，我們還將ACDs原位復(fù)合到了PU和PVA基質(zhì)中，制備的復(fù)合材料既發(fā)熒光又發(fā)磷光。而且ACD/PVA復(fù)合材料的磷光壽命長(zhǎng)達(dá)450 ms，實(shí)現(xiàn)了兩親性碳量子點(diǎn)在磷光材料中的應(yīng)用。
　　第四章中，我們報(bào)道了一種新的碳量子點(diǎn)基室溫磷光材料，并且提出了碳量子點(diǎn)磷光調(diào)控的新策略。該策略主要是將碳量子點(diǎn)分散到三聚氰酸鈉中，通過(guò)調(diào)節(jié)體系pH值來(lái)實(shí)現(xiàn)磷光的可控?；|(zhì)和碳量子點(diǎn)之間形成的氫鍵，可以有效的固定磷光發(fā)色基團(tuán)(C=O)。當(dāng)體系pH=