一种碳量子点的制备方法与流程

本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种碳量子点的制备方法。

背景技术：

碳量子点作为一种新型的荧光碳纳米材料，表面由sp2杂化的碳原子组成，而内部则由sp3结构的碳原子组成。实验中得到的碳量子点的表面存在大量的羟基、羧基等官能团，这些官能团的存在使得碳量子点中碳元素的含量相对较低，而氧元素的含量相对较高。与传统的半导体量子点(如CdSe、CdTe、CdS、GaAs和InAs等)相比，碳量子点无毒环保、水溶性好、制备成本低、物理和化学稳定性好，且易于对其表面化学修饰，更为重要的是，碳量子点具有独特的激发波长依赖性荧光，即碳量子点发射荧光的波长随着激发波长的变化而变化，因此可以根据需要选择合适的激发波长，这对于排除其他荧光物质的干扰至关重要。

基于此，近年来发展了多种碳量子点的制备方法，大体上可以分为两大类：自上而下的方法和自下而上的方法。自上而下的方法，通常是将碳点从较大碳结构物质上刻蚀下来的，包括电弧放电法，激光消融法和电化学氧化法等；自下而上的方法，由分子前驱体合成碳点，包括湿法氧化法、高温热解法、水热法、微波辅助合成法、超声合成法以及载体合成法等。

水热法由于操作简单，效率高，应用最为广泛。目前水热法制备碳量子点的含碳前驱体有葡萄糖、柠檬酸、氨基酸、核酸、抗败血酸等，这些试剂成本高，不适于广泛应用；也有使用有机物主要包括种子、香蕉、西瓜片等为含碳前驱体，但是得到的碳量子点杂质多、碳量子点产率不高，也不适用于广泛应用。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供一种碳量子点的制备方法，该方法采用来源广泛且经济环保的材料作为含碳前驱体，采用水热法制备，经过过滤、离心、透析等步骤，得到的碳量子点产率高、结构均匀、分散性好。

本发明通过以下技术方案实现：

一种碳量子点的制备方法，包括以下步骤：

原料的预处理：将含碳前驱体置于超声波清洗机中清洗，然后在40-50℃下热风烘干，得干燥物；

水热反应：将干燥物置于高压反应釜，加入2.3-2.5mol/L的NaOH溶液，密闭，然后将高压反应釜置于烘箱中，在210-220℃下水热反应3-3.5h；

过滤：待高压反应釜冷却后取出，将高压反应釜内的混合液用双层滤纸过滤，得滤液；

离心：将滤液在14500-15000r/min的速度下离心固液分离，过滤，得上清液；

透析：将上清液装入1000D透析袋中透析；

干燥：将透析袋内的透析液放入冷冻干燥箱中冷冻干燥，即得固体碳量子点；

所述含碳前驱体为废纸、碎布或废棉。

作为本发明的进一步说明，所述清洗分两次进行，第一次清洗的溶剂为乙醇，清洗时间为5-10min，第二次清洗的溶剂为去离子水，清洗时间为20-25min。

作为本发明的进一步说明，所述干燥物的含水率为3-5%。

作为本发明的进一步说明，所述干燥物与NaOH溶液的质量体积比（g/mL）为1-1.2﹕45-50。

作为本发明的进一步说明，所述离心的时间为15-20min。

作为本发明的进一步说明，所述透析的时间为7-8d。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明采用日常生活中常见的废纸、碎布或废棉作为含碳前驱体制备碳量子点，具有原料来源广泛，经济环保的优点，能够降低生产成本，减少废纸、碎布和废棉对环境的污染，提高废纸、碎布和废棉的利用率，提高废纸、碎布和废棉的利用价值。

2、本发明的含碳前驱体分别在乙醇和去离子水中进行清洗，能够有效去除含碳前驱体表面油脂及灰尘杂质，使制备得到的碳量子点纯度高，杂质少。

3、本发明碳量子点的制备方法工艺简单，操作方便，成本低，用时短，易于推广应用。

4、本发明制得的碳量子点的粒径为3-5nm，为均匀分布的球状颗粒，碳量子点表面没有经过钝化或修饰，碳量子点没有毒性，具有优良的化学稳定性、生物相容性和光学性能，可以用于生物学领域的研究应用。

5、本发明得到的碳量子点产率达29%以上。

附图说明

图1为本发明实施例1制备得到的碳量子点的透射电镜图，右上角为高分辨投射电镜图，晶格间距约为0.32 nm；

图2为本发明实施例1、5制备得到的碳量子点的激发谱，对应的发生波长为440nm；

图3为本发明实施例1制备得到的碳量子点在不同激发波长激发下得到的荧光光谱图，随着发射波长的增大对应的激发波长分别为320nm，340nm，360nm，380nm，400nm，420nm，440nm，460nm，480nm，500nm，520nm，540nm，560nm；

图4为本发明实施例5制备得到的碳量子点在不同激发波长激发下得到的荧光光谱图，随着发射波长的增大对应的激发波长分别为320nm，340nm，360nm，380nm，400nm，420nm，440nm，460nm，480nm，500nm，520nm，540nm，560nm；

图5为本发明实施例9制备得到的碳量子点在不同激发波长激发下得到的荧光光谱图，随着发射波长的增大对应的激发波长分别为320nm，340nm，360nm，380nm，400nm，420nm，440nm，460nm，480nm，500nm，520nm，540nm，560nm。

具体实施方式

实施例1

一种碳量子点的制备方法，包括以下步骤：

原料的预处理：将废纸置于超声波清洗机中清洗，第一次清洗的溶剂为乙醇，清洗时间为5min，第二次清洗的溶剂为去离子水，清洗时间为20min，然后在40℃下热风烘干，得含水率为3%的干燥物；

水热反应：将1g干燥物置于高压反应釜，加入45mL 2.3mol/L的NaOH溶液，密闭，然后将高压反应釜置于烘箱中，在210℃下水热反应3h；

过滤：待高压反应釜冷却后取出，将高压反应釜内的混合液用双层滤纸过滤，得滤液；

离心：将滤液在14500r/min的速度下离心固液分离15min，过滤，得上清液；

透析：将上清液装入1000D透析袋中透析7d；

干燥：将透析袋内的透析液放入冷冻干燥箱中冷冻干燥，即得固体碳量子点。

图1为本实施例得到的碳量子点的透射电镜图，由图可见碳量子点结构均匀，分散性好，粒径在5nm左右。

实施例2

一种碳量子点的制备方法，包括以下步骤：

原料的预处理：将废纸置于超声波清洗机中清洗，第一次清洗的溶剂为乙醇，清洗时间为10min，第二次清洗的溶剂为去离子水，清洗时间为25min，然后在50℃下热风烘干，得含水率为5%的干燥物；

水热反应：将1.2g干燥物置于高压反应釜，加入50mL 2.5mol/L的NaOH溶液，密闭，然后将高压反应釜置于烘箱中，在220℃下水热反应3.5h；

过滤：待高压反应釜冷却后取出，将高压反应釜内的混合液用双层滤纸过滤，得滤液；

离心：将滤液在15000r/min的速度下离心固液分离20min，过滤，得上清液；

透析：将上清液装入1000D透析袋中透析8d；

干燥：将透析袋内的透析液放入冷冻干燥箱中冷冻干燥，即得固体碳量子点。

实施例3

一种碳量子点的制备方法，包括以下步骤：

原料的预处理：将废纸置于超声波清洗机中清洗，第一次清洗的溶剂为乙醇，清洗时间为8min，第二次清洗的溶剂为去离子水，清洗时间为23min，然后在45℃下热风烘干，得含水率为4%的干燥物；

水热反应：将1.1g干燥物置于高压反应釜，加入48mL 2.4mol/L的NaOH溶液，密闭，然后将高压反应釜置于烘箱中，在215℃下水热反应3.25h；

过滤：待高压反应釜冷却后取出，将高压反应釜内的混合液用双层滤纸过滤，得滤液；

离心：将滤液在14500r/min的速度下离心固液分离18min，过滤，得上清液；

透析：将上清液装入1000D透析袋中透析8d；

干燥：将透析袋内的透析液放入冷冻干燥箱中冷冻干燥，即得固体碳量子点。

实施例4

一种碳量子点的制备方法，包括以下步骤：

原料的预处理：将废纸置于超声波清洗机中清洗，第一次清洗的溶剂为乙醇，清洗时间为7min，第二次清洗的溶剂为去离子水，清洗时间为22min，然后在48℃下热风烘干，得含水率为5%的干燥物；

水热反应：将1g干燥物置于高压反应釜，加入47mL 2.4mol/L的NaOH溶液，密闭，然后将高压反应釜置于烘箱中，在215℃下水热反应3.5h；

过滤：待高压反应釜冷却后取出，将高压反应釜内的混合液用双层滤纸过滤，得滤液；

离心：将滤液在14500r/min的速度下离心固液分离15min，过滤，得上清液；

透析：将上清液装入1000D透析袋中透析7d；

干燥：将透析袋内的透析液放入冷冻干燥箱中冷冻干燥，即得固体碳量子点。

实施例5

一种碳量子点的制备方法，包括以下步骤：

原料的预处理：将碎布置于超声波清洗机中清洗，第一次清洗的溶剂为乙醇，清洗时间为5min，第二次清洗的溶剂为去离子水，清洗时间为20min，然后在40℃下热风烘干，得含水率为3%的干燥物；

水热反应：将1g干燥物置于高压反应釜，加入45mL 2.3mol/L的NaOH溶液，密闭，然后将高压反应釜置于烘箱中，在210℃下水热反应3h；

过滤：待高压反应釜冷却后取出，将高压反应釜内的混合液用双层滤纸过滤，得滤液；

离心：将滤液在14500r/min的速度下离心固液分离15min，过滤，得上清液；

透析：将上清液装入1000D透析袋中透析7d；

干燥：将透析袋内的透析液放入冷冻干燥箱中冷冻干燥，即得固体碳量子点。

本实施例得到的碳量子点的透射电镜图与图1相似，碳量子点结构均匀，分散性好，粒径在4nm左右。

实施例6

一种碳量子点的制备方法，包括以下步骤：

原料的预处理：将碎布置于超声波清洗机中清洗，第一次清洗的溶剂为乙醇，清洗时间为10min，第二次清洗的溶剂为去离子水，清洗时间为25min，然后在50℃下热风烘干，得含水率为5%的干燥物；

水热反应：将1.2g干燥物置于高压反应釜，加入50mL 2.5mol/L的NaOH溶液，密闭，然后将高压反应釜置于烘箱中，在220℃下水热反应3.5h；

过滤：待高压反应釜冷却后取出，将高压反应釜内的混合液用双层滤纸过滤，得滤液；

离心：将滤液在15000r/min的速度下离心固液分离20min，过滤，得上清液；

透析：将上清液装入1000D透析袋中透析8d；

干燥：将透析袋内的透析液放入冷冻干燥箱中冷冻干燥，即得固体碳量子点。

实施例7

一种碳量子点的制备方法，包括以下步骤：

原料的预处理：将碎布置于超声波清洗机中清洗，第一次清洗的溶剂为乙醇，清洗时间为8min，第二次清洗的溶剂为去离子水，清洗时间为23min，然后在45℃下热风烘干，得含水率为4%的干燥物；

水热反应：将1.1g干燥物置于高压反应釜，加入48mL 2.4mol/L的NaOH溶液，密闭，然后将高压反应釜置于烘箱中，在215℃下水热反应3.25h；

过滤：待高压反应釜冷却后取出，将高压反应釜内的混合液用双层滤纸过滤，得滤液；

离心：将滤液在14500r/min的速度下离心固液分离18min，过滤，得上清液；

透析：将上清液装入1000D透析袋中透析8d；

干燥：将透析袋内的透析液放入冷冻干燥箱中冷冻干燥，即得固体碳量子点。

实施例8

一种碳量子点的制备方法，包括以下步骤：

原料的预处理：将碎布置于超声波清洗机中清洗，第一次清洗的溶剂为乙醇，清洗时间为7min，第二次清洗的溶剂为去离子水，清洗时间为23min，然后在47℃下热风烘干，得含水率为5%的干燥物；

水热反应：将1.2g干燥物置于高压反应釜，加入46mL 2.4mol/L的NaOH溶液，密闭，然后将高压反应釜置于烘箱中，在215℃下水热反应3.5h；

过滤：待高压反应釜冷却后取出，将高压反应釜内的混合液用双层滤纸过滤，得滤液；

离心：将滤液在14500r/min的速度下离心固液分离15min，过滤，得上清液；

透析：将上清液装入1000D透析袋中透析8d；

干燥：将透析袋内的透析液放入冷冻干燥箱中冷冻干燥，即得固体碳量子点。

实施例9

一种碳量子点的制备方法，包括以下步骤：

原料的预处理：将废棉置于超声波清洗机中清洗，第一次清洗的溶剂为乙醇，清洗时间为5min，第二次清洗的溶剂为去离子水，清洗时间为20min，然后在40℃下热风烘干，得含水率为3%的干燥物；

水热反应：将1g干燥物置于高压反应釜，加入45mL 2.3mol/L的NaOH溶液，密闭，然后将高压反应釜置于烘箱中，在210℃下水热反应3h；

过滤：待高压反应釜冷却后取出，将高压反应釜内的混合液用双层滤纸过滤，得滤液；

离心：将滤液在14500r/min的速度下离心固液分离15min，过滤，得上清液；

透析：将上清液装入1000D透析袋中透析7d；

干燥：将透析袋内的透析液放入冷冻干燥箱中冷冻干燥，即得固体碳量子点。

本实施例得到的碳量子点的透射电镜图与图1相似，碳量子点结构均匀，分散性好，粒径在4nm左右。

实施例10

一种碳量子点的制备方法，包括以下步骤：

原料的预处理：将废棉置于超声波清洗机中清洗，第一次清洗的溶剂为乙醇，清洗时间为10min，第二次清洗的溶剂为去离子水，清洗时间为25min，然后在50℃下热风烘干，得含水率为5%的干燥物；

水热反应：将1.2g干燥物置于高压反应釜，加入50mL 2.5mol/L的NaOH溶液，密闭，然后将高压反应釜置于烘箱中，在220℃下水热反应3.5h；

过滤：待高压反应釜冷却后取出，将高压反应釜内的混合液用双层滤纸过滤，得滤液；

离心：将滤液在15000r/min的速度下离心固液分离20min，过滤，得上清液；

透析：将上清液装入1000D透析袋中透析8d；

干燥：将透析袋内的透析液放入冷冻干燥箱中冷冻干燥，即得固体碳量子点。

实施例11

一种碳量子点的制备方法，包括以下步骤：

原料的预处理：将棉纺下脚料置于超声波清洗机中清洗，第一次清洗的溶剂为乙醇，清洗时间为8min，第二次清洗的溶剂为去离子水，清洗时间为23min，然后在45℃下热风烘干，得含水率为4%的干燥物；

水热反应：将1.1g干燥物置于高压反应釜，加入48mL 2.4mol/L的NaOH溶液，密闭，然后将高压反应釜置于烘箱中，在215℃下水热反应3.25h；

过滤：待高压反应釜冷却后取出，将高压反应釜内的混合液用双层滤纸过滤，得滤液；

离心：将滤液在14500r/min的速度下离心固液分离18min，过滤，得上清液；

透析：将上清液装入1000D透析袋中透析8d；

干燥：将透析袋内的透析液放入冷冻干燥箱中冷冻干燥，即得固体碳量子点。

实施例12

一种碳量子点的制备方法，包括以下步骤：

原料的预处理：将旧棉胎置于超声波清洗机中清洗，第一次清洗的溶剂为乙醇，清洗时间为9min，第二次清洗的溶剂为去离子水，清洗时间为24min，然后在48℃下热风烘干，得含水率为5%的干燥物；

水热反应：将1.2g干燥物置于高压反应釜，加入46mL 2.4mol/L的NaOH溶液，密闭，然后将高压反应釜置于烘箱中，在215℃下水热反应3.5h；

过滤：待高压反应釜冷却后取出，将高压反应釜内的混合液用双层滤纸过滤，得滤液；

离心：将滤液在14500r/min的速度下离心固液分离17min，过滤，得上清液；

透析：将上清液装入1000D透析袋中透析7d；

干燥：将透析袋内的透析液放入冷冻干燥箱中冷冻干燥，即得固体碳量子点。

本发明以硫酸奎宁为参比物质，测定实施例1-12制得的碳量子点产率，碳量子点产率如表1所示。

表1：碳量子点产率

由上述可知，本发明制备得到的碳量子点产率达29%以上。