[发明专利]一种氮掺杂功能化碳量子点的制备方法

说明书

本发明属于碳基量子点制备技术领域，提供了一种氮掺杂功能化碳量子点的制备方法。其主旨在于，所述氮掺杂功能化碳量子点的制备方法简单易操作，后处理纯化过程高效快速，适合大批量制备。主要方案包括：步骤S1:将柠檬酸和聚乙烯亚胺（PEI）分散到DMF溶剂中，超声得到匀质化混合液；步骤S2：转移混合液到高压反应釜中，水热反应即得包含氮掺杂功能化碳量子点（PEI‑N‑CQDs）粗产物；步骤S3：沉淀纯化上述包含氮掺杂功能化碳量子点粗产物，取沉淀物即得PEI‑N‑CQDs。本发明降低了合成成本和操作步骤，简单易操作，且所用原料简单易得、廉价，有利于商业化生产。

技术领域

本发明属于碳基量子点制备技术领域，具体为氮掺杂功能化碳量子点的高效制备。

背景技术

碳量子点（CQDs）作为碳基量子点的一种，通常由自下而上法制备，包括微波辐射法、水热法、溶剂热法、热解法等。其中，水热法具有碳源前驱体来源丰富、成本低、环境友好、高效合成的优势，从而被用来广泛处理各种有机分子以获取CQDs。未经修饰的CQDs量子产率不高，理化性质单一，缺乏特异性功能，限制了CQDs的进一步发展。利用杂原子掺杂和表面钝化进行化学修饰，从而调控CQDs的化学反应活性、电子结构、光学性质，是解决这一问题的有效途径。在各种氮掺杂CQDs、硫掺杂CQDs、硼掺杂CQDs、碘掺杂CQDs、磷掺杂CQDs中，氮原子被广泛用于碳基材料化学掺杂并表现出优异的物理化学特性，是因为N与C的原子尺寸大小相似，以及五个价电子为键合C原子提供了可能。制备N掺杂CQDs，主要是通过在碳分子脱水碳化阶段加入尿素、氨水、乙二胺、氨基酸等氮源获得粗产物，接着后处理获得纯化量子点。同时，CQDs表面羧基的存在降低了π电子云密度，并充当非辐射电子-空穴复合中心影响了荧光效率。利用酰胺化反应接枝氨类有机小分子或聚合物如氨基封端的低聚PEG、PEI（聚乙烯亚胺）、烷基胺、苯胺，可以有效降低非辐射跃迁，从而提高了量子点产率。然而，大多数表面化学改性是在CQDs后处理过程中进行，使得操作过程繁琐和花费周期较长。此外，现有的后处理方法主要以透析为主，虽然利用不同分子量的透析膜可以分离尺寸不一的CQDs，然而过低的产率和纯化时间限制了CQDs的大规模生产。因此，探索一条高效制备高质量CQDs的合成路线，仍然是当前碳基量子点合成的一项挑战。

发明内容

本发明提供了一种氮掺杂功能化碳量子点的高效制备方法及应用，所述氮掺杂功能化碳量子点的制备方法简单易操作，后处理纯化过程高效快速，适合大批量制备。

为了实现上述目的，本发明涉及技术方案详细过程如下：

为了实现上述目的，本发明涉及技术方案详细过程如下：

步骤S1:将柠檬酸、PEI置于高压釜内衬中，注入溶剂 DMF后超声30min分散溶液，柠檬酸与PEI的摩尔比为0.3~10:1，DMF溶剂体积为柠檬酸质量的4-7倍；

步骤S2:将所述分散溶液用高压反应釜密封，在140~180℃水热反应12h即得包含PEI-N-CQDs的粗产物溶液；

步骤S3:将上述步骤（2）所得粗产物溶液沉淀纯化。离心取底部沉淀真空干燥得到橙色PEI-N-CQDs粉末，产率48%。

优选地，上述步骤S1中，柠檬酸与PEI的摩尔比为10:1。

优选地，上述步骤S2中，反应温度为160℃。

优选地，上述步骤S3中，沉淀剂为甲醇。

作为本发明优选所制备的PEI-N-CQDs，其晶粒尺寸约5nm，具有sp²碳纳米核心、无定形的sp³碳和PEI亲水壳，所述PEI-N-CQDs水溶液中显示强烈的蓝色荧光，及荧光发射峰具有激发波长依赖性。

本发明与现有技术相比，具有如下优势：