一种利用柏壳合成氮掺杂碳量子点的方法技术

一种利用柏壳合成氮掺杂碳量子点的方法是包括下述步骤制得：将柏壳粉末与氨水、超纯水一起加入到水热反应釜中进行水热反应，水热反应结束后，将水热釜取出，自然冷却，然后倒出水热反应釜中的反应液，再经过离心、过滤、冷冻干燥等步骤即得氮掺杂碳量子点材料。本发明专利技术所采用的原料具有绿色环保、价廉易得的优点。所得碳量子点具有较好的水溶性、高纯度、分散性、尺寸均一、高的稳定性、高的氮含量（氮含量高达6.6%）等一系列优点。本发明专利技术制备氮掺杂碳量子点的方法具有成本低廉、绿色环保、操作简单、对设备要求低等优点，便于进行大规模的制备及工业化生产。

A method for the synthesis of nitrogen doped carbon quantum dots with cypress shells

A method for the synthesis of nitrogen doped carbon shell quantum dots is includes the following steps: the shell powder and ammonia water, ultrapure water added together to a hydrothermal reaction kettle for hydrothermal reaction, the end of the hydrothermal reaction, the hot water kettle out, natural cooling, and then poured hot water reaction the liquid in the vessel, and then through the steps of centrifugation, filtration, freeze drying to obtain nitrogen doped carbon quantum dots. The raw materials used in the invention have the advantages of green environmental protection, low price and easy gain. The obtained carbon quantum dots have a series of advantages, such as water solubility, high purity, dispersion, uniform size, high stability and high nitrogen content (up to 6.6% nitrogen content). The method for preparing nitrogen doped carbon quantum dots has the advantages of low cost, environmental protection, simple operation and low requirement for equipment, and is convenient for large-scale preparation and industrial production.

【技术实现步骤摘要】
一种利用柏壳合成氮掺杂碳量子点的方法
本专利技术属于材料合成
，具体涉及一种以柏壳为原料合成氮掺杂碳量子点的方法。
技术介绍
量子点是一种准零维的纳米材料，是指半径小于激子波尔半径的半导体纳米晶体，具有显著的量子限域效应。通常的量子点是指传统的半导体量子点，由稀土元素Ⅱ-Ⅵ和Ⅲ-Ⅴ族元素组成，如CdS、CdSe、CdTe、ZnSe、ZnS等。半导体量子点的毒性大、制备成本高、环境污染严重，限制了其在众多领域的实际应用。碳量子点（Carbonquantumdots，CQDs）是2004年由美国克莱姆森大学的科学家首次制造的一种新型的荧光碳纳米材料，通常为尺寸小于10nm的碳纳米微球。与传统的半导体量子点相比，碳量子点不含有重金属元素，具有低的生物毒性。此外，碳量子点还具有突出的荧光性能，良好的光学稳定性等优点，被认为是替代半导体荧光材料的潜在材料。目前碳量子点的制备方法主要可以分为两大类：自上而下和自下而上的方法。前者是将大尺寸的碳结构比如石墨烯，碳纳米管，碳纤维，炭黑等利用电弧放电、激光刻蚀、以及电化学氧化等方法进行破碎切割，形成小尺寸的碳量子点。后者则是通过使用柠檬酸盐，碳水化合物等分子作为前驱体，经过化学氧化以及热处理等方法来合成碳量子点。然而，目前上述方法存在采用的原料及实验器材昂贵、制备流程耗时、操作过程复杂或产品收率低等缺陷，使得碳量子点的制备成本居高不下且难以制得大量样品，限制了碳量子点的大规模生产和应用。因此，寻找价廉易得、环境友好的材料，利用简单高效的方法快速批量制备碳量子点具有十分重要的理论意义和实际应用价值。以生物质资源为原料，节能环保，且不含有重金属离子等有毒成分，更有利于其在碳材料制备领域的应用。生物质资源在自然界中广泛存在、价廉易得、取之不尽、用之不竭，将生物质资源用于碳纳米材料的绿色制备，即拓展了生物质资源的应用领域，又保护了环境，因此具有广阔的应用前景。目前，已经有一些关于生物质资源制备碳量子点的报道，如RSCAdvances,2012,2:8599-8601;ChemicalCommunications,2012,48:8835-8837;MaterialsLetters,2012,66:222-224;CatalysisScienceandTechnology,2013,3:1027-1035;AnalyticalMethods,2013,5:3023-3027;JournalofMaterialsChemistryB,2013,1:2868-2873;EnvironmentalScienceandTechnologyLetters,2014,1:87-91;ChemicalCommunications,2015,51:16625-16628;JournalofMaterialsScience,2016,51:8108-8115等。然而，目前还未有采用柏壳为原料制备碳材料的相关报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种以柏壳为原料合成氮掺杂碳量子点的方法。本专利技术的目的是通过如下技术措施实现的：一种利用柏壳合成氮掺杂碳量子点的方法，其特征在于，它是包括下述步骤制得：将柏壳粉末与氨水、超纯水一起加入到水热反应釜中并密封，然后放入烘箱或马弗炉中，设置温度为180-250℃进行水热反应5-30小时；水热反应结束后，将水热釜取出，自然冷却至20~25℃，然后倒出水热反应釜中的反应液，再经过离心、过滤、冷冻干燥等步骤即得氮掺杂碳量子点材料。进一步，上述柏壳粉末需通过80目筛，所述氨水质量浓度为25%~28%，所述柏壳粉末、氨水、超纯水的质量/体积/体积比（g/ml/ml）为1:5~10:10~50，所述离心步骤是采用梯度离心法进行的，首先将反应液置于低速离心机中3000~5000r/min离心5~30分钟，收集离心管中的上层清液，将其置于高速离心机中10000~16000r/min离心5~30分钟，再次收集离心管中的上层清液，即得。更进一步，上述过滤是将离心后的上清液，先用0.45μm的混合纤维素脂水系微孔滤膜过滤，收集滤液，再用0.22μm的混合纤维素脂水系微孔滤膜过滤，收集滤液，最后用0.1μm的混合纤维素脂水系微孔滤膜过滤，收集滤液，即得。更进一步，上述冷冻干燥是将碳量子点的水溶液在冰箱冷冻室中预冷冻8~15小时，得到冻结的碳量子点的冷冻液；开启冷冻干燥机，在-60℃预冷3~6小时，而后加入待干燥的碳量子点冷冻液，开始抽真空冷冻干燥，真空度为20Pa以下，冷冻干燥温度为-50~-59℃，冷冻干燥时间为28~53小时，将经过真空冷冻干燥后的产品进一步在真空烘箱中50-70℃烘干45-60小时，即得氮掺杂碳量子点。本专利技术的有益效果在于：本专利技术一种利用柏壳合成氮掺杂碳量子点的方法，所采用的原料具有绿色环保、价廉易得的优点。在本专利技术制备过程中，需要通过合理选择原材料、设计适宜的原料配比，精确控制高温高压水热反应参数，采用层级过滤、梯度离心、多程序化干燥等方法和工艺技术手段，才能确保以柏壳为原料制备得到高收率的碳量子点材料，如若控制不好碳量子点制备的全流程工艺，一方面将会导致得不到碳量子点材料，另一方面会导致出现碳量子点收率过低的现象。本专利技术所得碳量子点具有较好的水溶性、高纯度、分散性好、尺寸均一、稳定性高、氮含量高（氮含量高达6.6%）、收率高等一系列优点。本专利技术制备碳量子点的方法具有成本低廉、绿色环保、操作简单、对设备要求低等优点，便于进行大规模的制备及工业化生产。附图说明图1为实施例1所得氮掺杂碳量子点的透射电镜图。图2为实施例2所得氮掺杂碳量子点的透射电镜图。图3为实施例3所得氮掺杂碳量子点的透射电镜图。图4为实施例4所得碳氮掺杂量子点的透射电镜图。图5一种利用柏壳合成氮掺杂碳量子点的工艺流程图。具体实施方式下面通过实施例对本专利技术进行具体的描述，有必要在此指出的是以下实施例只用于对本专利技术进行进一步说明，不能理解为对本专利技术保护范围的限制，在不背离本专利技术精神和实质的情况下，对本专利技术方法、步骤或条件所作的修改或替换，均属于本专利技术的范围。实施例1将柏壳清洗、烘干，采用万能粉碎机粉碎过80目筛，收集柏壳粉末，称取3.0克柏壳粉末、15毫升质量浓度为25%的氨水和80毫升超纯水，加入到水热釜中，在烘箱中220℃水热12小时，水热反应结束后，将水热釜取出，自然冷却至25℃，然后倒出水热反应釜中的反应液；经过3000r/min的转速低速离心分离30分钟，收集上层清液，再继续采用16000r/min的转速高速离心分离5分钟，再次收集上层清液；依次采用0.45微米、0.22微米、0.1微米的混合纤维素脂（水系）微孔滤膜进行过滤纯化，得碳量子点溶液。对碳量子点溶液进行取样放置于4℃冰箱中低温保存，放样一年观察，发现碳量子点溶液仍不变质，说明所得碳量子点具有优异的水溶性，在水中能够稳定均匀的分散。然后将碳量子点溶液在冰箱中预冷冻8小时，得到冻结的碳量子点的冷冻液；开启冷冻干燥机，在-60℃预冷3小时，而后加入待干燥的碳量子点冷冻液，开始抽真空冷冻干燥，真空度为20Pa以下，冷冻干燥温度为-50℃，冷冻干燥时间为53小时。将经过真空冷冻干燥后的产品进一步在真空烘箱中50℃烘干60小时，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用柏壳合成氮掺杂碳量子点的方法，其特征在于，它是包括下述步骤制得：将柏壳粉末与氨水、超纯水一起加入到水热反应釜中并密封，然后放入烘箱或马弗炉中，设置温度为180‑250℃进行水热反应5‑30小时；水热反应结束后，将水热釜取出，自然冷却至20~25℃，然后倒出水热反应釜中的反应液，再经过离心、过滤、冷冻干燥等步骤即得氮掺杂碳量子点材料。

【技术特征摘要】
1.一种利用柏壳合成氮掺杂碳量子点的方法，其特征在于，它是包括下述步骤制得：将柏壳粉末与氨水、超纯水一起加入到水热反应釜中并密封，然后放入烘箱或马弗炉中，设置温度为180-250℃进行水热反应5-30小时；水热反应结束后，将水热釜取出，自然冷却至20~25℃，然后倒出水热反应釜中的反应液，再经过离心、过滤、冷冻干燥等步骤即得氮掺杂碳量子点材料。2.如权利要求1所述的一种利用柏壳合成氮掺杂碳量子点的方法，其特征在于，上述柏壳粉末需通过80目筛，所述氨水质量浓度为25%~28%，所述柏壳粉末、氨水、超纯水的质量/体积/体积比（g/ml/ml）为1:5~10:10~50，所述离心步骤是采用梯度离心法进行的，首先将反应液置于低速离心机中3000~5000r/min离心5~30分钟，收集离心管中的上层清液，将其置于高速离心机中10000~16000r/min离...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘玉荣，张宗强，胡荣，孙向卫，
申请(专利权)人：重庆文理学院，
类型：发明
国别省市：重庆,50