一种金属掺杂荧光性生物质碳量子点的制备方法

1.本发明涉及碳量子点合成技术领域，具体是涉及一种金属掺杂荧光性生物质碳量子点的制备方法。


背景技术：

2.碳量子点(cqds)作为一种荧光性碳纳米材料，目前已被广泛研究。荧光碳量子点因其粒径小、水溶性好、光学性能稳定且具有较好的生物相容性，在医药方面、生物成像以及荧光检测等领域得到了广泛应用。
3.目前，碳量子点的制备可分为两类。一种方法是自上自下的方法，主要是将大分子材料逐步剥离为较小尺寸的cqds【孙墨杰,赵志海,陈红梅,聂富强.碳量子点的合成研究进展与展望[j].化学通报,2016,79(08):691-698】，其主要成分是碳纳米管【xu x,rayr,guy,et al.electrophoretic analysis and purification of fluorescent single-walled carbon nanotube fragments[j].journal of the american chemical society,2004,126(40):12736-12737】、石墨、炭粉和最近崛起的大分子，如蒜、叶和核桃壳。自上而下的方法主要有电弧放电、化学方法、激光蚀学法和化学氧化方法等。
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另一个是自下而上的方法，它通过燃烧、加热和微波等手段聚合成cqds【陈越。石墨烯量子点的合成，官能化及其荧光性能的研究[d]。北京交通大学,北京,2018.】，主要原料是柠檬酸盐【bottini m,balasubramanian c,dawson m i,et al.isolation and characterization of fluorescent nanoparticles from pristine and oxidized electric arc-produced single-walled carbon nanotubes[j].journal of physical chemistry b,2006,110(2):831-836】萄糖为代表的碳水化合物、生物小分子、烟灰等。自下而上的方法主要是溶剂热/水热、温解/燃烧、微波等。
[0005]
这些制备都不可避免的出现产物纯度不高、发光性及稳定性较差等缺点。同时，现有技术制备的碳量子点的性能单一，无法有效实现润滑性能，更无法在机械领域应用。鉴于此，本发明制备一种金属掺杂荧光性生物质碳量子点，既可以解决产物发光性与稳定性，又可以具有较高的润滑性能，从而使制备的材料能够在一定程度上实现减少磨损，在机械领域应用前景好。


技术实现要素：

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为了解决上述技术问题，本发明提出一种操作简单、绿色环保的金属掺杂荧光性生物质碳量子点的制备方法。
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为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
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一种金属掺杂荧光性生物质碳量子点的制备方法，包括一步水热合成法，以柠檬酸作为碳源，引入所需掺杂金属的前驱体，在水热反应釜中加入去离子水或超纯水，进行水热反应，得到金属掺杂碳量子点粗产品；粗产品经过滤、透析得到金属掺杂碳量子点提纯产品，最后经冷冻干燥得到成品。
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进一步地，一种金属掺杂荧光性生物质碳量子点的制备方法步骤如下：
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步骤s1：取所需掺杂的金属前驱体、柠檬酸、乙醇以及去离子水或超纯水加入到水热反应釜中，盖好盖子并拧紧；
[0011]
步骤s2：将步骤s1中的水热反应釜加热进行水热反应，反应结束后冷却至室温，即得金属掺杂碳量子点粗产品；
[0012]
步骤s3：将步骤s2中得到的金属掺杂碳量子点粗产品经过滤、透析得到金属掺杂碳量子点提纯产品，最后经冷冻干燥得到成品。
[0013]
作为本发明的优选技术方案，金属掺杂荧光性生物质碳量子点的制备方法中：
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步骤s1中金属前驱体为硝酸镍、氯化铜、碳酸锰、乙酸锌和氟化镧中的一种或多种的组合。水热反应釜中各原料的添加量为：金属前驱体0.001～1g，柠檬酸0.05～3g，去离子水或超纯水为10～25ml，乙醇10～100ml。
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步骤s2中采用数显式干燥箱加热或油浴加热进行水热反应。水热反应温度为100～240℃，反应时间为2～10h。
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步骤s3中将金属掺杂碳量子点粗产品先通过0.22μm滤膜过滤，再通过1000～5000da透析袋透析12～48h。
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与现有技术相比，本发明的有益效果表现在：
[0018]
1、本发明制备的金属掺杂荧光性生物质碳量子点，粒径在1.55～3.23nm之间，粒径分布均匀较集中，在紫外灯照射下发出明亮的蓝色荧光，310nm激发波长下，在100～750nm区间都存在发射，其中400～575nm的宽峰属于碳量子点的特征发射波长。
[0019]
2、本发明具有合成产物纯度高、产物发光性与稳定性好、产量高、在金属基表面形成耐磨保护膜的优点，克服了传统碳量子点润滑性能单一，使得基体材料在一定程度的上实现减少磨损，在机械领域应用前景好。
[0020]
3、本发明制备的金属掺杂碳量子点以不同金属化合物作为金属源，利用高温碳化法除去当中的易挥发组份，然后以过滤透析做进一步处理，进而获取不同金属掺杂碳量子点，可实现生物质资源充分利用，且工艺安全环保。
[0021]
4、通过实验证实，在不同的激发波长下，制备的生物质碳具有不同强度的荧光。本发明不仅可实现生物质资源化利用，在荧光材料应用领域具有重要的理论意义和应用价值。
附图说明
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图1为实施例1制备la掺杂碳量子点的tem图。
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图2为实施例1制备la掺杂碳量子点的粒径分析图。
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图3为实施例1制备la掺杂碳量子点的荧光发射光谱图(插入为紫外灯照射下发出明亮的蓝色荧光)。
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图4为金属基碳量子点(cu掺杂)作为水基润滑添加剂摩擦系数的变化曲线。
具体实施方式
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实施例1
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la掺杂碳量子点的制备
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量取80ml乙醇，15ml超纯水，称取0.089g柠檬酸，0.0045g氟化镧，超声使其混合均匀，后将溶液转移至聚四氟乙烯内衬水热反应釜中，于160℃恒温加热10h，反应完成后自然冷却至温，将所得溶液先通过0.22μm滤膜过滤，再通过1000～5000da透析袋透析48h，最后经冷冻干燥得到成品。
[0029]
通过图1和2可以观察到所制备的碳量子点粒径多在1.55～3.23nm之间，平均直径约为2.48nm，粒径分布均匀较集中。
[0030]
通过图3可以，本实施例制备的镧掺杂碳量子点溶液在紫外灯照射下发出明亮的蓝色荧光。310nm激发波长下，在100～750nm区间都存在发射，其中400～575nm的宽峰属于碳量子点的特征发射波长。
[0031]
实施例2
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mn掺杂碳量子点的制备
[0033]
量取700ml乙醇，10ml超纯水，称取2g柠檬酸，0.0025g碳酸锰，超声使其混合均匀，后将溶液转移至聚四氟乙烯内衬水热反应釜中，于180℃恒温加热6h，反应完成后自然冷却至温，将所得溶液先通过0.22μm滤膜过滤，再通过1000～5000da透析袋透析30h，最后经冷冻干燥得到成品。
[0034]
本实施例制备的mn掺杂碳量子点，其微观形貌以及荧光发射光谱图基本与实施例1制备的la掺杂碳量子点保持一致。
[0035]
实施例3
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zn掺杂碳量子点的制备
[0037]
量取50ml乙醇，22ml超纯水，称取1.5g柠檬酸，0.005g乙酸锌，超声使其混合均匀，后将溶液转移至聚四氟乙烯内衬水热反应釜中，于200℃恒温加热5h，反应完成后自然冷却至温，将所得溶液先通过0.22μm滤膜过滤，再通过1000～5000da透析袋透析36h，最后经冷冻干燥得到成品。
[0038]
本实施例制备的zn掺杂碳量子点，其微观形貌以及荧光发射光谱图基本与实施例1制备的la掺杂碳量子点保持一致。
[0039]
实施例4
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cu掺杂碳量子点的制备
[0041]
量取100ml乙醇，10ml超纯水，称取0.1g柠檬酸，0.001g氯化铜，超声使其混合均匀，后将溶液转移至聚四氟乙烯内衬水热反应釜中，于220℃恒温加热3h，反应完成后自然冷却至温，将所得溶液先通过0.22μm滤膜过滤，再通过1000～5000da透析袋透析42h，最后经冷冻干燥得到成品。
[0042]
本实施例制备的cu掺杂碳量子点，其微观形貌以及荧光发射光谱图基本与实施例1制备的la掺杂碳量子点保持一致。
[0043]
通过umt-2摩擦试验机(载荷10n，摩擦时间均为0.5h)在运行过程中，记录实验过程中的摩擦系数。结果如图4所示，图4中测试数据分别对应为：
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纯超纯水润滑(h2o)、超纯水在铜膜上润滑(pure water 0.5h、1h、2h)、添加量为0.5wt％的金属基碳量子点(cu掺杂)作为水基润滑添加剂在铜膜上润滑(0.5wt％cu@cqd 0.5、1h、2h)、添加量为0.5wt％的金属基碳量子点(cu掺杂)作为水基润滑添加剂直接润滑(0.5wt％cu@cqd)。其中，铜膜的形成是将钢盘浸泡于0.5wt％的金属基碳量子点(cu掺杂)
水溶液中分别浸泡0.5h、1h、2h。
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通过图4可以看出，超纯水润滑摩擦系数数值最大，超纯水、金属基碳量子点溶液在铜膜上润滑的摩擦系数数值均有所降低。添加量为0.5wt％的金属基碳量子点(cu掺杂)作为水基润滑添加剂在浸泡1h的铜膜上的润滑效果最佳，摩擦系数最低。
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以上内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。