化学氧化法制备荧光碳点的方法及其荧光碳点和应用技术

本发明专利技术属于碳纳米材料领域，提供一种化学氧化法制备荧光碳点的方法及其荧光碳点和应用。该方法包括如下步骤：(1)氧化刻蚀步骤：将碳源物质加入氧化性溶液中，进行冷凝回流处理；(2)透析除盐步骤：在步骤(1)反应结束后，加入碱性试剂，中和至弱酸性，进行透析除盐，得到煤基荧光碳点水溶胶；和(3)干燥步骤：将步骤(2)得到的物质进行真空干燥得到固体状态的荧光碳点；其中，所述碳源物质为煤炭或将煤炭加热炭化处理后得到的焦炭物质，荧光碳点的粒径和或荧光性能通过选择碳源物质为煤炭还是焦炭物质以及炭化温度来控制调节。本发明专利技术制备的荧光碳点有望应用在在光伏器件、生物成像和传感等领域。

【技术实现步骤摘要】
化学氧化法制备荧光碳点的方法及其荧光碳点和应用
本专利技术涉及一种可控制备荧光碳点的方法，属于碳纳米材料制备
。
技术介绍
碳点(Carbon DotsADs)是一种新型的尺寸小于1nm的碳基材料-碳纳米材料，由于其具有独特优异的光学特性而受到广泛关注。碳点最早发现于2004年，是纯化单壁碳纳米管时得到的一种副产物。碳点不但具有荧光特性，而且发射光谱峰位还随激发波长的改变而改变。不仅如此，碳点还具有生物相容性好、毒性小、光学稳定性好、无闪烁现象等优点，因而在光电器件、生物成像、检测和传感等领域具有广阔的应用前景。 目前有关碳点的制备方法主要分两大类:1)“自上而下”方法。这种方法一般采用大块体积固体或粉末为碳源，比如石墨、碳纳米管、炭纤维等，通过氧化剥离等手段，得到小尺度的碳点；2) “由下到上”方法。这种方法主要采用小分子有机物或者聚合物为碳源，经过热解、缩聚、碳化等过程，得到碳点。 尽管已报道的制备方法很多，但如何使用更廉价简单的方法，大批量制备具有高品质的荧光碳点一直是人们不懈追求的目标。
技术实现思路
基于以上原因， 本专利技术所要解决的技术问题是，现有技术难以实现碳点粒径大小可控和荧光性能可调，本专利技术主要在于提供一种廉价制备荧光碳点的方法，所得产物不但实现了粒径大小可控，而且还可以调控其荧光性能。 为了解决如上所述现有技术问题，实现廉价制备荧光碳点的目标，本专利技术选用煤炭为碳源，先进行炭化处理，再在浓硝酸溶液中加热氧化，去除前驱体中的无定形碳结构，剥离出石墨微晶，并使其表面产生大量含氧官能团，即得到水溶性的荧光碳点。通过该方法，可以达到产物粒径和荧光性能的调控。 具体来说，为了解决如上所述问题，本专利技术提供了如下技术方案: 一种化学氧化法制备荧光碳点的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤: (I)氧化刻蚀步骤: 将碳源物质加入氧化性溶液中，均匀分散碳源物质后，进行冷凝回流处理； (2)透析除盐步骤: 在步骤(1)反应结束后，加入碱性试剂，中和至弱酸性，离心分离后取上层清液，对该上层清液进行透析除盐，得到煤基荧光碳点水溶胶； 和⑶干燥步骤: 将步骤(2)得到的物质进行真空干燥得到固体状态的荧光碳点； 其中，所述碳源物质为煤炭或将煤炭加热炭化处理后得到的焦炭物质，所述荧光碳点的粒径和或荧光性能通过碳源物质类型(即通过选择碳源物质为煤炭还是焦炭物质)以及炭化温度来控制调节。 本专利技术的另一方面，还提供了一种荧光碳点的粒径可控的制备方法，其特征在于通过如上所述的方法来制备荧光碳点。 优选地，其中，所述煤炭物质为筛分至200目以下的颗粒，其中所述透析是采用截留分子量为3000-4000Da的透析袋进行透析。 还优选地，其中，该方法在(3)干燥步骤之前(2)透析除盐步骤之后还包括还原步骤: 向步骤(2)得到的荧光碳点水溶胶中加入中等强度还原剂进行还原后再进行干燥。 还优选地，其中，所述炭化处理时间为1.5-3小时，所述干燥温度为45_80°C。 还优选地，其中，在(2)透析除盐步骤中，所述弱酸性是指pH值为5.4-6.6。 还优选地，其中，所述炭化温度为500-1500°C。 还优选地，在(I)氧化刻蚀步骤中，所述均匀分散是通过超声处理45分钟-1.5小时实现。 还优选地，其中，所述中等强度还原剂为硼氢化钠试剂。 还优选地，其中 ，所述的煤炭是褐煤、烟煤或者无烟煤。 还优选地,其中,所述的惰性气氛为氮气或氩气。 还优选地，其中，所述碱性试剂是氢氧化钠、碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾或者碳酸氢钾。 还优选地，所述(I)氧化刻蚀步骤中，所述氧化性溶液为浓硝酸溶液，优选所述浓硝酸溶液浓度为5-7mol/L，更优选浓硝酸溶液浓度为6mol/L。 还优选地，所述(I)氧化刻蚀步骤中，每10mg碳源物质，所述浓硝酸溶液按照 0.40-0.60摩尔HNO3的用量来投加。 本专利技术还提供一种粒径可控的荧光碳点，其特征在于，通过前面所述的任一种制备方法或优选方法得到，其中粒径通过选择碳源物质的具体类型以及炭化温度来控制。 本专利技术还提供上述方法制备的得到的荧光碳点在生物标识、催化剂、传感器和光伏器件方面的应用。 本专利技术利用廉价丰富的煤炭为起始碳源，经过氧化刻蚀，剥离出前驱体中的石墨微晶，并实现其表面含氧基团官能化。该方法具有反应条件易于控制，容易大批量生产制备的特点。所得荧光碳点无须进一步分离既可以实现单分散且粒径可控，荧光性能也可实现调控，有望广泛应用在光电器件、生物成像、检测和传感等领域。 【附图说明】 图Ι-a至图l_f为不同碳源前驱体氧化后的产物透射电镜照片及其对应的粒径分布图； 图Ι-a为未炭化的原煤前驱体氧化后的产物的透射电镜照片图； 图l_b为图Ι-a所示产物对应的粒径分布图； 图Ι-c为原煤900°C炭化后得到的焦炭氧化后的产物的透射电镜照片图； 图Ι-d为图Ι-c所示产物的对应的粒径分布图； 图Ι-e为原煤1500°C炭化后得到的焦炭氧化后的产物的透射电镜照片图； 图1-f为图1-e所示产物对应的粒径。 图2-a至图2-c为不同碳源前驱体氧化后的产物吸收光谱和发射光谱图(激发波长:280nm)； 图2-a为未炭化的原煤氧化后的产物吸收光谱和发射光谱图(激发波长280nm)； 图2-b为原煤900°C炭化后得到的焦炭氧化后的产物吸收光谱和发射光谱图(激发波长280nm)； 图2-c为原煤1500°C炭化后得到的焦炭氧化后的产物吸收光谱和发射光谱图。 图3-a至图3-c为原煤900°C炭化的焦炭氧化刻蚀后得到的碳点，再经过NaBH4还原后的产物光学性质图: 图3-a为原煤900°C炭化的焦炭氧化刻蚀后得到的碳点，再经过NaBH4还原后的产物的吸收光谱图； 图3-b为原煤900°C炭化的焦炭氧化刻蚀后得到的碳点水溶胶于日光和紫外灯照射下的成像图； 图3-c为原煤900°C炭化的焦炭氧化刻蚀后得到的碳点，再经过NaBH4还原后的产物的不同激发波长条件下的发射光谱图。 【具体实施方式】 本专利技术为了实现碳点的粒径大小可控和荧光性能可调，主要通过选择对煤炭是否进行焦化(即选择碳源物质的类型)以及焦化的温度来控制所得碳点的粒径和或荧光性倉泛。 本专利技术以煤炭为起始原料，提供制备粒径可控、荧光性能可调的碳点的方法。本专利技术的制备方法包括以下几个步骤:1)将煤炭碾碎成粉末状，置于惰性气氛中炭化处理；2)将热处理后的煤炭在浓硝酸溶液中加热搅拌回流；3)最后中和反应物至中性，并将悬浊液离心去除底部沉淀，再透析除去剩余盐离子，即得到荧光碳点水溶胶。继续真空干燥可以进一步得到固体产物。所制备的荧光碳点具有可控的尺寸大小以及可调变的荧光光谱。用还原剂处理后的煤基碳点，荧光性能进一步增强，有望应用在在光伏器件、生物成像和传感等领域。 在本专利技术的一种优选实施方式中，本专利技术提供如下一种一种化学氧化法制备突光碳点的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤: (1)氧化刻蚀步骤: 将碳源物质加入氧化性溶液中，均匀分散碳源物质后，进行冷凝回流处理； (2)透析除盐步骤: 在步骤(1)反应结束后，加入碱性试剂，中和至本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种化学氧化法制备荧光碳点的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：(1)氧化刻蚀步骤：将碳源物质加入氧化性溶液中，均匀分散碳源物质后，进行冷凝回流处理；(2)透析除盐步骤：在步骤(1)反应结束后，加入碱性试剂，中和至弱酸性，离心分离后取上层清液，对该上层清液进行透析除盐，得到煤基荧光碳点水溶胶；和(3)干燥步骤：将步骤(2)得到的物质进行真空干燥得到固体状态的荧光碳点；其中，所述碳源物质为煤炭或将煤炭加热炭化处理后得到的焦炭物质，所述荧光碳点的粒径和或荧光性能通过选择碳源物质为煤炭还是焦炭物质以及炭化温度来控制调节。

【技术特征摘要】
1.一种化学氧化法制备荧光碳点的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤: (1)氧化刻蚀步骤: 将碳源物质加入氧化性溶液中，均匀分散碳源物质后，进行冷凝回流处理； (2)透析除盐步骤: 在步骤(1)反应结束后，加入碱性试剂，中和至弱酸性，离心分离后取上层清液，对该上层清液进行透析除盐，得到煤基荧光碳点水溶胶； 和⑶干燥步骤: 将步骤(2)得到的物质进行真空干燥得到固体状态的荧光碳点； 其中，所述碳源物质为煤炭或将煤炭加热炭化处理后得到的焦炭物质，所述荧光碳点的粒径和或荧光性能通过选择碳源物质为煤炭还是焦炭物质以及炭化温度来控制调节。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述煤炭物质为筛分至200目以下的颗粒，所述透析是采用截留分子量为3000-4000Da的透析袋进行透析。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，该方法在(3)干燥步骤之前、(2)透析除盐步骤之后还包括还原步骤: 向步骤(2)得到的荧光碳点水溶胶中加入中等强度还原剂进行还原后再进行干燥。4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其中，所述炭化处理时间为1.5-3小时，所述干燥温度为45-80 °C。5.根据权利要求1-4任一项所述 的...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱介山，胡超，于畅，王秀娜，李明宇，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21