一种高荧光量子产率的固态发光碳点的快速制备方法与流程

本发明涉及一种高荧光量子产率的固态发光碳点的快速制备方法，属光致发光材料制备及应用的技术领域。

背景技术：

碳量子点具有优异的深紫外区域强吸收宽发射特性、光电转换能力、电子迁移率、溶液可加工性、荧光稳定性，具有抗光漂白性质；目前碳点的合成方法有两大类，一类是自上而下法，另一类是自下而上法，自下而上法主要包括水热法、热解法、微波辅助水热合成法和激光合成法；微波辅助水热合成法，可以实现同步、均匀、高效的加热，使反应速度加快，可获得尺寸均一的产物。

碳量子点具有优异的光学性质，是固态荧光材料，在照明和光显示领域得到应用；目前，发光的碳点溶液干燥为薄膜或固体时会产生聚集诱导猝灭效应，发光材料在聚集状态下，相邻的分子之间因距离小易发生共振能量转移。

由于固态发光碳点制备难度大，在光电器件中的应用受到了极大的限制，因此，快速合成高荧光量子产率的固态荧光碳点是非常重要的。

技术实现要素：

发明目的

本发明的目的是针对背景技术的状况，以柠檬酸，N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷为原料，经微波辅助水热合成、过滤、真空冷冻干燥、研磨过筛，快速合成高荧光量子产率的固态发光碳点。

技术方案

本发明使用的化学物质材料为：柠檬酸、N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷、去离子水，其组合准备用量如下：以克、毫升为计量单位

柠檬酸：C₆H₈O₇ 1.05g±0.001g

N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷： C₈H₂₂N₂O₃Si

5.41mL±0.001mL

去离子水：H₂O 10mL±0.001mL

制备方法如下：

(1)精选化学物质材料

对制备使用的化学物质材料要进行精选，并进行质量纯度控制：

柠檬酸：固态固体 99.9％

N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷：液态液体 99.9％

去离子水：液态液体 99.9％

(2)微波辅助水热合成制备碳点混合液

①配制混合液

在微波反应管中，加入柠檬酸1.05g±0.001g、N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷5.41mL±0.001mL、去离子水10mL±0.001mL，搅拌10min，成混合液；

②将装有混合液的微波反应管置于超声波分散仪中，进行超声分散，超声波频率20KHz，超声分散时间10min；

③将装有混合液的微波反应管置于微波反应器中，进行加热，加热温度180℃±1℃、加热时间10min；

混合液在反应管内，在微波辅助水热合成过程中将发生化学反应，反应方程式如下：

式中：Si-CDs：硅烷化碳点

④冷却，微波辅助水热合成结束后停止加热，混合液随微波反应管冷却至25℃；

(3)过滤

将冷却后的混合液置于过滤器的滴液漏斗中，用三层中速定性滤纸进行过滤，留存滤液，弃掉滤纸上的沉淀物；

(4)真空冷冻干燥

将滤液置于石英容器中，然后置于真空冷冻干燥箱中，密闭；真空度2Pa，冷冻干燥温度-80℃，冷冻干燥时间840min；

(5)研磨、过筛

将真空冷冻干燥得到的固体粉末用玛瑙研钵、研棒进行研磨，然后用650目筛网过筛，得到终产物固态发光碳点；

(6)检测、分析、表征

对制备的固态发光碳点的形貌、色泽、纯度、荧光量子产率、化学物理性能、发光性能进行检测、分析、表征；

用透射电子显微镜进行形貌分析；

用荧光光谱仪和紫外可见分光光度计进行荧光性能分析；

用X射线衍射仪进行结构分析；

结论：固态发光碳点为浅黄色粉体，粉体颗粒直径≤7nm；固态量子产率为65.8％，产物纯度达99.8％；

(7)产物储存

制备的固态发光碳点储存于棕色透明的玻璃容器中，要防晒、防潮、防酸碱盐类物质侵蚀，储存温度20℃，相对湿度≤10％。

有益效果

本发明与背景技术相比具有明显的先进性，是针对固态发光碳点实现发光难的情况，采用柠檬酸、N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷为原料，经微波辅助水热合成、过滤、真空冷冻干燥、研磨、过筛，制得固态发光碳点；此制备方法工艺先进，数据精确翔实，制备的固态发光碳点为粉体，粉体颗粒直径≤7nm，固态量子产率达65.8％，纯度达99.8％，是先进的高荧光量子产率的固态发光碳点的快速制备方法。

附图说明

图1、微波辅助水热合成制备碳点混合液状态图

图2、固态发光碳点形貌图

图3、固态发光碳点X射线衍射强度图谱

图4、固态发光碳点的荧光发射图谱

图5、固态发光碳点在自然光照射下的图谱

图6、固态发光碳点在紫外光照射下的图谱

图中所示，附图标记清单如下：

1、微波反应器，2、反应器底座，3、指示灯，4、显示屏，5、反应器盖，6、微波加热腔，7、微波反应管，8、密封盖，9、混合液，10、微波发生器，11、电源开关，12、微波加热温度控制器，13、微波加热时间控制器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步说明：

图1所示，为微波辅助水热合成制备碳点混合液状态图，各部位置、连接关系要正确，按量配比，按序操作。

制备使用的化学物质的量值是按预先设置的范围确定的，以克、毫升为计量单位。

制备碳点混合液是在微波反应管内进行的，是在配制溶液、微波反应器加热、水热合成过程中完成的；

微波反应器1为立式，微波反应器1下部为反应器底座2、上部为反应器盖5、内部为微波加热腔6；在微波加热腔6内中间部位垂直设有微波反应管7，并由固定座14固定，微波反应管7外部为微波发生器10，微波反应管7内为混合液9，微波反应管7上部由密封盖8密封；在反应器底座2上设有显示屏4、指示灯3、电源开关11、微波加热温度控制器12、微波加热时间控制器13。

图2所示，为固态发光碳点形貌图，固态发光碳点为粉体，粉体颗粒为球形，分散性好，无团聚现象，粒径分布范围较窄，粒径≤7nm。

图3所示，为固态发光碳点X射线衍射强度图谱，图中所示，纵坐标为衍射强度、横坐标为衍射角2θ，固态发光碳点的衍射峰峰位在22°，表明制备的碳点中碳的石墨化程度较低，为无定形碳。

图4所示，为固态发光碳点荧光发射图谱，图中所示，纵坐标为荧光强度，横坐标为发射波长，在发射强度2.5×10⁶下碳点的最大发射波长为443nm。

图5所示，为固态发光碳点在自然光照射下的图谱，从图中看出，碳点粉末在自然光照射下呈淡黄色。

图6所示，为固态发光碳点在紫外光照射下的图谱，从图中看出，碳点粉末在紫外光灯λ_ex＝365nm照射下发出蓝色荧光。