碳量子點及其復合材料的制備與光學性能研究.pdf

1、碳量子點(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，具有很強的量子限域效應。由于其制備方法簡單，合成成本低，制備出的碳量子點光學穩(wěn)定性好，毒性低，易于表面功能化，所以在很多領域都受到了廣泛關注。但目前碳量子點仍然存在一些急需解決的問題:(1)產(chǎn)量低碳量子點的產(chǎn)量一般為毫克級，無法大規(guī)模生產(chǎn);(2)應用范圍窄碳量子點的應用主要基于單個粒子或在水相中的應用;(

2、3)磷光研究少目前對碳量子點光學性能的研究主要集中在熒光方面。本論文針對目前碳量子點所存在的一些問題，通過選擇和優(yōu)化合成策略，獲得了不同性能的熒光碳量子點。另外，還將合成的碳量子點復合到了各種基質(zhì)中，制備了熒光/磷光雙發(fā)射的碳量子點基復合材料。具體內(nèi)容，主要分為以下三個部分:
　　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(N-doped CQDs)。該合成方法簡單、高效，而且未使

3、用有機溶劑，綠色環(huán)保。更重要的是，我們的合成產(chǎn)率高達83％，克服了目前碳量子點由于產(chǎn)率低，無法用于大規(guī)模生產(chǎn)的缺陷。另外，我們還通過傅里葉紅外光譜法研究了碳量子點的形成機理，在反應過程中異氰酸酯首先發(fā)生自聚，形成碳化二亞胺、二聚體和多聚體結構，在高溫下碳化二亞胺結構分解，然后通過成核、裂變形成碳量子點。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溶劑和單體中。我們利用“monomer as solvent”的

4、方法，將碳量子點原位分散到IPDI單體中，合成了碳點/聚氨酯復合材料。令人驚奇的是，合成的復合材料不僅在紫外光下發(fā)藍色熒光，而且在紫外燈熄滅后室溫下還有肉眼可見的余輝現(xiàn)象。該磷光主要來源于碳量子點表面芳香羰基的激發(fā)三線態(tài)，同時基質(zhì)與碳量子點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，復合材料的磷光還對氧氣具有一定的響應性，可以用于氧氣傳感。
　　第三章中，針對第二章制備的油溶性碳量子點不能用于水相的問題，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(ACDs)。該合成方法簡單、溫和，無需表面鈍化劑或強酸、強堿處理。制備的ACDs在水中可以穩(wěn)定的存在，光學穩(wěn)定性好，抗光漂白性強，在pH=4～11范圍內(nèi)熒光強度不變。ACDs對三價鐵離子具有很好的響應性，檢測范圍寬(0～200 mM)，最低檢測限為1.62 mM。另外，ACDs細胞毒性低，具有熒光上轉換特性，被成功的用于單/雙光子細胞成像。利用ACDs的雙親

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