[发明专利]一种高荧光产率掺氮碳量子点的制备方法和应用

说明书

本发明属于光电化工材料领域，公开了一种高荧光产率掺氮碳量子点的制备方法和应用。该高荧光产率碳量子点的制备方法，包括以下步骤：取尿素、柠檬酸钠和氧化石墨烯分散于水中，在室温下混合成均一澄清的液体；将澄清溶液转移至聚四氟乙烯反应釜中进行水热反应，然后分离纯化即可得到高荧光产率掺氮碳量子点。该制备方法操作简单，可重复性高，经济效益高。所制备的高荧光产率掺氮碳量子点的荧光产率可高达73.89％，可应用在金属探针、光电催化和生物成像中。

技术领域

本发明属于光电化工材料领域，特别涉及到一种高荧光产率掺氮碳量子点的制备方法和应用。

背景技术

碳量子点由分散的类球状碳颗粒组成，尺寸极小，通常在10nm以下，具有良好的导电性、低毒性、独特的光学和光电子特性。在纳米探针、光电催化、生物成像等领域有着广泛的应用。

到目前为止，碳量子点的各种合成方法已经被研究出来，这些制备方法主要分为“自上而下”和“自下而上”两类。

“自上而下”的方法是直接把大尺寸的石墨相关的材料通过一系列的物理、化学和电化学过程切割成为量子尺寸。这些材料包括石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管等；“自下而上”的方法是把一些小分子作为前驱体通过化学反应被可控的转化为碳量子点。该方法的原料易得、成本低且来源非常广。常用的碳前驱体包括：柠檬酸、葡萄糖、壳聚糖等。

在碳量子点的研究初期所合成的碳量子点基本上是由C、H、O组成，表面官能团一般为羰基和羟基。随着碳量子点的更进一步的研究发现，早期的碳量子点越来越显示出它的单一性、局限性。杂原子被引入碳骨架后会形成各种结构缺陷，调变了其荧光发射行为。研究人员通过杂原子掺杂来改变碳量子点的结构性质以适应新的应用需求。最常见的掺杂是氮掺杂，除此之外还有硫掺杂或其他元素的掺杂，由于氮原子与碳原子大小接近且结构类似，其孤对电子极易至碳环sp²杂化的π轨道中。因此，在氮掺杂碳量子点中，N可以有效改变碳量子点的能级结构并实现多段发光。而且通过表面钝化后的碳量子点具有较高的荧光量子产率。

现今，合成的大部分碳量子点都是以发射蓝色可见光为主，这就使得它的应用性比较窄，而荧光量子产率也难以提高。而如果想要将碳量子点的荧光量子产率提高就需要通过繁琐的细致分离，但是这样无形中就会增加碳量子点的合成成本。在生产制备方面，较低的荧光量子产率也就使得目前的碳量子点都很难适合进行大规模的生产，且对碳量子点进行大量的后处理就代表着要提高成本。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种高荧光产率掺氮碳量子点的制备方法。

本发明另一目的在于提供上述方法制备的高荧光产率掺氮碳量子点。

本发明再一目的在于提供上述高荧光产率掺氮碳量子点的应用。

本发明的目的通过下述方案实现：

一种高荧光产率掺氮碳量子点的制备方法，包括以下步骤：

(1)取尿素、柠檬酸钠和氧化石墨烯分散于水中，在室温下混合成均一澄清的液体；

(2)将澄清溶液转移至聚四氟乙烯反应釜中进行水热反应，然后分离纯化即可得到高荧光产率掺氮碳量子点。

本发明中，所述氧化石墨烯可由本领域技术人员根据现有技术制备得到，可参考改良Hummer法制备氧化石墨烯。

步骤(1)中所述的尿素：柠檬酸钠：氧化石墨烯的重量比为1-2∶1.5-1∶0.1-0.05，优选为1∶1∶0.05；

步骤(1)中所述的水仅仅作为反应介质，因此并不需要限定水的用量。

步骤(2)中所述的水热反应是指在120-200℃反应3-10h，优选为在180℃反应10h；