一种红光发射碳量子点的低温制备方法技术

本发明专利技术为一种红光发射碳量子点的低温制备方法。该方法包括以下步骤：将邻苯二胺和1,8‑萘二胺加入到N,N‑二甲基甲酰胺中溶解，搅拌10～15min；将溶液放入水热釜中密闭，然后将溶液温度升高至120‑200℃，保温时间6‑18h，得到碳量子点溶液，烘干后得到粉末，即红光发射碳量子点。本发明专利技术在120～200℃均可合成红光发射的碳量子点，制备工艺要求低，更易于工业化生产。

【技术实现步骤摘要】
一种红光发射碳量子点的低温制备方法
本专利技术属于新型功能材料
，更加具体地说，涉及一种红光发射碳量子点的低温制备方法。技术碳量子点是碳材料家族中的新晋成员，是继碳纳米管、纳米金刚石和石墨烯之后的又一新型功能材料。由于其具有发射波长可调、水溶性好、毒性小、生物相容性强和易于功能化等优点，被广泛用于LED、催化、分析检测和生物成像等领域。目前为止，虽然人们合成了多种多样的碳量子点，但是多数碳量子点的发射都集中在蓝光到绿光波段，激发光多位于紫外到蓝光波段。这样的碳量子点在应用于生物成像时，紫外或蓝光波段的激发光不可避免的因为其较高的能量造成严重的生物基质损伤。相比较而言，红光发射的碳量子点由于发射和激发波长能量均较低，更适用于生物成像。另外，红光作为三原色之一是制造全彩色发光和显示器件必不可少的组成部分。因此，合成红光碳量子点对于进一步拓宽碳量子点的应用具有重要意义。在碳量子点的合成方面，目前人们主要采用了两种合成思路，即由下而上法和由上而下法。由下而上法包括氧化法、超声波法、水热法和微波法等。由上而下法包括电化学氧化、激光刻蚀和酸氧化等方法。在红光发射碳量子点的合成上，目前普遍采用溶剂热和微波加热这两种方法。但已报道方案中的合成温度都在200℃左右，最低的也需要160℃，这需要消耗较大的能量且不利于大量合成。同时除了较高的合成温度外，这些方案还涉及到后续复杂的提纯处理过程，苛刻的合成条件限制了碳量子点的应用和工业化生产。因此，探索一种简便易行、低能耗且利于工业生产的红光发射碳量子点的合成方法，有利于进一步推进碳量子点的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对红光碳量子点难以合成且合成条件苛刻的缺点，提供了一种一步低温合成红光发射碳量子点的方法。该方法采用溶剂热法合成碳量子点，在120～200℃下，利用邻苯二胺和1,8-萘二胺在溶剂热作用下发生的脱水缩合反应形成红光发射碳量子点。本专利技术得到的红光发射碳量子点具有一定的耐酸碱性(pH＝3-11)，可溶于多种有机溶剂如甲苯、二氯甲烷、乙醇、N,N-二甲基甲酰胺、甲酰胺等，其中在N,N-二甲基甲酰胺和甲苯中主发射峰分别位于595nm和645nm，均位于红光波段。另外该碳量子点的最佳激发峰位于绿光波段，在细胞成像和生物检测等领域也具有广阔的应用前景。本专利技术的技术方案为：一种红光发射碳量子点的低温制备方法，该方法包括以下步骤：步骤1：将邻苯二胺和1,8-萘二胺加入到N,N-二甲基甲酰胺中溶解，搅拌10～15min；其中，摩尔比为邻苯二胺：1,8-萘二胺＝0.5-2：1；每10mLN,N-二甲基甲酰胺中加入0.027～0.108g的邻苯二胺；步骤2：将上步配制的溶液放入水热釜中密闭，然后将溶液温度升高至120-200℃，保温时间6-18h，得到碳量子点溶液，烘干后得到粉末，即红光发射碳量子点。所述的步骤2中，反应温度优选为120-160℃。本专利技术的实质性特点为：本专利技术的核心是采用溶剂热法一步低温(最低可低至120℃)合成红光发射的碳量子点，是目前已报道合成方案中温度最低的。其次本专利技术中所选用的原料也属首次用于合成红光发射碳量子点。该方法在120～200℃均可合成红光发射的碳量子点，制备工艺要求低，更易于工业化生产。本专利技术的有益效果为：本专利技术采用全新的合成方案一步低温合成红光发射的碳量子点，其在蓝光到绿光激发下呈现单一的红光发射。与目前已报道的红光发射碳量子点的制备相比，本专利技术通过邻苯二胺和1,8-萘二胺以及溶剂N,N-二甲基甲酰胺之间的脱水缩合反应形成氮掺杂的碳量子点，实现了400-600nm激发光下在595nm和665nm处的红光发射。其中邻苯二胺和1,8-萘二胺中的氨基是氮掺杂的来源，其带有的苯环结构有利于提高碳量子点中sp2杂化结构的含量，这更利于获得红光发射。N,N-二甲基甲酰胺参与反应有利于提高碳量子点的氧化程度，同样有利于获得红光。实验表明这三种原料的存在都是获得红光发射的必要条件，单独邻苯二胺制备的碳量子点为绿光发射，单独的1,8-萘二胺制备的碳量子点发光强度急剧下降且存在诸多杂峰，而邻苯二胺和1,8-萘二胺在其它溶剂如水和甲酰胺中不能得到红光发射的碳量子点。作为溶剂的N,N-二甲基甲酰胺中酰胺键活性较高，有利于邻苯二胺和1,8-萘二胺的反应，这使得低温合成成为可能。因此该方法在120～200℃下均可获得红光发射的碳量子点，且在一定范围调节反应比例和时间仍然可以获得红光发射的碳量子点。表明此方法具有反应温度较低，原料易于获取，反应条件可调性大，碳量子点发光性能稳定等特点。此外，该量子点表面具有丰富的表面官能团，最佳激发峰位于绿光波段，在细胞成像和生物检测等领域也具有广阔的应用前景。本专利技术的技术方案制备的碳量子点结构为无定形态石墨相结构。样品的形貌为颗粒，量子点尺寸为数纳米，含有C＝C、C-N、C-O、C＝O、C-H、N-H等化学键。制备的碳量子点在紫外、蓝光和绿光波段均有吸收。附图说明图1是实施例4中制备的红光发射碳量子点的透射电镜图。图2是实施例4中制备的红光发射碳量子点的红外透射光谱图。图3是实施例4中制备的红光发射碳量子点的X射线光电子能谱图(图中表格为所含元素的百分数)。图4是实施例4中制备的红光发射碳量子点在不同波长激发下的发射光谱图。图5是实施例4中制备的红光发射碳量子点的激发光谱图。图6是实施例4中制备的红光发射碳量子点的紫外-可见吸收光谱图。图7是实施例1-3中不同原料比制备的红光发射碳量子点的发射光谱图。图8是实施例2和4-7中不同温度制备的红光发射碳量子点的发射光谱图。图9是实施例4，8，9中不同反应时间制备的红光发射碳量子点的发射光谱图。图10是实施例4中制备的红光发射碳量子点在酸碱处理后发射强度的变化图。图11是实施例4中制备的红光发射碳量子点在595nm发射下的衰减曲线和寿命。具体实施方式下面结合具体实施例进一步说明本专利技术的技术方案。红光碳量子点的制备实施例1：步骤1：将0.25mmol的邻苯二胺(0.027g)和0.50mmol的1,8-萘二胺加入到10mLN,N-二甲基甲酰胺中溶解，搅拌10～15min使其充分溶解；步骤2：将上步配制的溶液放入水热釜中密闭，然后将溶液温度升高至200℃，保温时间12h；待水热釜冷却至室温后，得到碳量子点溶液；取部分碳量子点溶液，用N,N-二甲基甲酰胺按体积比稀释原体积的4倍，用于表征测试；剩余的量子点溶液在70℃下烘干得到粉末，即红光发射碳量子点。实施例2：将实施例1中步骤1的邻苯二胺用量改为0.5mmol，其它步骤同实施例1；实施例3：将实施例1中步骤1的邻苯二胺用量改为1.0mmol，其它步骤同实施例1；实施例4：步骤1：将0.5mmol的邻苯二胺和0.5mmol的1,8-萘二胺加入到10mLN,N-二甲基甲酰胺中溶解，搅拌10～15min使其充分溶解；步骤2：将上步配制的溶液放入水热釜中密闭，然后将溶液温度升高至120℃，保温时间12h；待水热釜冷却至室温后，得到碳量子点溶液；取部分碳量子点溶液，用N,N-二甲基甲酰胺按体积比稀释原体积的4倍，用于表征测试；剩余的量子点溶液在70℃下烘干得到粉末，即红光发射碳量子点。。实施例5：将实施例4中步骤2的反应温度改为140℃本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种红光发射碳量子点的低温制备方法，其特征为该方法包括以下步骤：步骤1：将邻苯二胺和1,8‑萘二胺加入到N,N‑二甲基甲酰胺中溶解，搅拌10~15 min；其中，摩尔比为邻苯二胺：1,8‑萘二胺 =0.5‑2：1；每10 mL N,N‑二甲基甲酰胺中加入0.027~0.108 g的邻苯二胺；步骤2：将上步配制的溶液放入水热釜中密闭，然后将溶液温度升高至120‑200 ℃，保温时间6‑18 h，得到碳量子点溶液，烘干后得到粉末，即红光发射碳量子点。

【技术特征摘要】
1.一种红光发射碳量子点的低温制备方法，其特征为该方法包括以下步骤：步骤1：将邻苯二胺和1,8-萘二胺加入到N,N-二甲基甲酰胺中溶解，搅拌10~15min；其中，摩尔比为邻苯二胺：1,8-萘二胺=0.5-2：1；每10mLN,N-二甲基甲酰胺中加入0.027~0.108...

【专利技术属性】
技术研发人员：张兴华，袁康，秦若涵，冀雪峰，魏海菲，卢遵铭，刘辉，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津,12