电火花放电制备荧光碳量子点的方法与流程

本发明涉及一种电火花放电制备荧光碳量子点的方法。

背景技术：

碳量子点是一种新型荧光纳米材料，具有更高的强度、生物相容性、发光稳定性等特点，成为了当今研究的热点。大量的研究表明材料的毒性是和成分、尺寸形状以及表面特性紧密相关，比如含有毒性元素或重金属的半导体荧光纳米粒子(FNP)基本上不能在生物体内应用。而对于表现良性的材料如ZnO、Si、SiO₂、TiO₂等随着尺寸的减小，毒性表现的也越来越强。在同样尺寸下，所有材料中碳量子点的毒性最低，而且易于在表面实现多功能化，所以选择碳纳米颗粒作为荧光标记材料是最为理想的替代物。在广泛的可见光和近红外光范围内，碳量子点通过单光子和双光子吸收不仅可实现强的荧光及上转化荧光发射的转化，而且可作为电子给体或受体产生光致电荷转移，所以它在生物检测、非线性光学、光伏器件以及催化领域具有重要的应用价值。

目前报道的制备碳量子点的方法主要有微波合成法、电化学氧化法、小分子化合法、燃烧法、激光消蚀法、电弧放电法。如2011年，Xu等以纯石墨棒为碳源，同样采用电弧放电法，粗产物利用浓度为2.6M的硝酸回流处理12h，通过透析提纯和离心分离，最终获得碳量子点的粒径不大于10nm；2006年，Sun等首次将激光消蚀法用于碳量子点的制备，经检测，该法获得的碳量子点粒径在5nm左右，将此碳纳米颗粒用的硝酸回流处理12h，仍无法检测到荧光，但是，将回流处理过的碳纳米颗粒再用有机物作表面钝化处理，如使用端氨基PEG1500N，经120℃下加热反应72h处理后，制备的碳量子点才能观察到荧光发射；Ray等也通过燃烧法收集蜡烛灰，但先离心除去未反应物，再加入3倍体积的丙酮萃取、离心，便得到纯化的碳量子点。由此可见利用石墨作为碳源，利用电弧放电和激光消蚀法制备的碳量子点需要经过长时间的硝酸回流才能得到荧光碳量子点。其他制备方法大多数也需要经过一些复杂的提纯和表面修饰才能获得荧光性能良好的碳量子点。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：当前荧光碳量子点制备过程复杂，效率不高。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种电火花放电制备荧光碳量子点的方法，将两片电极浸没在有机介质中，两片电极分别与脉冲电源的两极连接；通过控制两片电极间的极间距，使两片电极间产生持续的脉冲性放电，利用脉冲性放电使极间的有机介质裂解，得到碳量子点。

进一步限定，两片电极为高纯石墨电极，含碳量>99.99％，通过将有机介质静置一段时间后将上层有机介质进行冷冻干燥的方法收集得到的碳量子点。

进一步限定，两片电极为高纯石墨电极，含碳量>99.99％。

进一步限定，脉冲电源的开路电压为10～1000V。

进一步限定，有机介质可以为一种有机物或者几种有机物的混合物，有机介质为低毒或无毒液体，温度为20℃时，粘度小于5mpa·s，有机介质在温度为20℃时电阻率大于1×10³Ω·m。

进一步限定，有机介质为无水乙醇、乙二醇、煤油、甲苯。

进一步限定，采用的设备为电火花加工设备，电火花加工设备的两个电极的极间距通过伺服控制系统控制，使两片电极间产生持续的脉冲性放电。

为进一步提高产量，进一步限定，电极为阵列电极，阵列电极为由多个电极单元构成的一个整体，多个电极单元之间通过绝缘材质相互绝缘，每个电极单元都与另一片阵列电极中的一个电极单元成一对，每对电极单元分别与相互隔离的脉冲电源的两极连接。

进一步限定，静置时间为1～10h；冷冻干燥的时间为10～30h。

本发明的有益效果是：

1、所采用的设备简单可靠、操作方便、可实现自动化连续制备，制备效率高；

2、作为碳源的有机介质来源广泛，制备过程无杂质引入，能获得纯净的碳量子点。当选用对身体无害的有机物如无水乙醇作为碳源时，可将获得的碳量子点直接应用于生物医学领域，如生物标记、活体成像等，无需复杂的提纯过程；

3、当采用相互绝缘的阵列电极，且每个相互绝缘的电极配备一套相互隔离的电源时，能在不大幅增加成本的同时，进一步使碳量子点的产量成倍提高。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明；

图1为采用火花放电制备荧光碳量子点的原理图；

图2为采用阵列电极火花放电制备荧光碳量子点原理图；

图3为制得的碳量子点显微全局图；

图4为图3中单个碳量子点的放大图；

图5为制得的碳量子点的荧光发射光谱；

图中，1.电极，1-1.电极单元，1-2.绝缘材质，2.有机介质，3.脉冲电源，4.伺服控制系统，5.工作液槽。

具体实施方式

实施例1，如图1所示，

一种电火花放电制备荧光碳量子点的方法，具有如下步骤：

1、将电火花加工设备的上下两片电极1浸没在工作液槽5内的有机介质2中，两片电极1分别与脉冲电源3的两极连接；

2、通过伺服控制系统4控制控制两片电极1间的极间距，使两片电极1间产生持续的脉冲性放电，利用脉冲性放电使极间的有机介质2裂解，形成碳原子，同时由于碳原子的存在是不稳定的，因此最终会团聚形成碳量子点，碳量子点的直径为1～5nm；

3、由于制备过程中无其他杂质的引入，因此制备完成后，静置1～10h后，将上层有机介质2冷冻干燥后，收集得到碳量子点，冷冻干燥的时间为10～30h。

上述步骤中，两片电极1为高纯石墨电极，含碳量>99.99％。

脉冲电源3的开路电压为10～1000V，峰值电流1～500A，脉宽0.5～1000μs,脉间1～1000μs。

有机介质2可以为一种有机物或者几种有机物的混合物，有机介质2为低毒或无毒液体，温度为20℃时，粘度小于5mpa·s，有机介质2在温度为20℃时电阻率大于1×10³Ω·m。

下面以有机介质为无水乙醇为例，进一步说明：

制备过程中，无水乙醇的纯度在99.5％以上，脉冲电源的开路电压为100V，峰值电流25A，脉宽100μs,脉间100μs。制备完成后，将含产物的无水乙醇密封静置10h后，将上层清液利用液氮进行冷冻干燥，最终获得碳量子点，利用激光粒度仪分析得平均粒径为3.878nm，称重计算得到产量约为0.01g/h。图3为制得的碳量子点显微全局图；图4为图3中单个碳量子点的放大图；图5为制得的碳量子点的荧光发射光谱。

该电火花放电制备荧光碳量子点的方法利用电火花放电产生的高温能量使有机介质直接裂解产生碳纳米颗粒，具有高效、安全、低成本、纯净、连续制备等特点，且制备的碳量子点荧光性能良好。

实施例2，如图2所示，

和实施例1相比区别点在于，电极1为阵列电极，阵列电极为由多个电极单元1-1构成的一个整体，多个电极单元1-1之间通过绝缘材质1-2相互绝缘，每个电极单元1-1都与另一片阵列电极中的一个电极单元1-1成一对，每对电极单元1-1分别与相互隔离的脉冲电源3的两极连接。电极单元1-1为高纯石墨电极，含碳量>99.99％。

下面以有机介质为煤油为例，进一步说明：

制备过程中，每片电极都具有5个相互绝缘的电极单元1-1，每对电极单元1-1分别与相互隔离的脉冲电源3的两极连接。脉冲电源的开路电压为150V，峰值电流35A，脉宽150μs,脉间200μs。制备完成后，发现电极无损耗，且在加工过程中几乎未发现非正常放电现象。将制备完成后的煤油密封静置12h后，将上层煤油利用液氮进行冷冻干燥，最终获得碳量子点，利用激光粒度仪分析得平均粒径为3.693nm，称重计算得到产量约为0.045g/h。