一种碳量子点及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种碳量子点及其制备方法，碳量子点的制备方法包括：通过先驱体‑硅树脂共凝胶法，将碳量子点先驱体水溶液封闭在先驱体‑硅凝胶的纳米孔隙中，之后使所述碳量子点先驱体水溶液进行水热碳化反应而形成碳量子点，获得包含碳量子点的碳化凝胶，其后对所述碳化凝胶进行后处理，提取出所述的碳量子点。相较现有技术，本发明专利技术制备碳量子点的方法，无大颗粒生成，产物全部为10纳米以内的碳量子点，能完全溶解于水、低级醇、低级酮或者其他极性溶剂中，在制备不含杂原子的碳量子点时，无需采用低效率的高速离心和半透膜渗析，即可获得高质量碳点。同时，碳量子点产量大，无需降低温度和缩短反应时间来减少聚集碳的生成。

A kind of carbon quantum dot and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种碳量子点及其制备方法
本专利技术涉及一种制备碳量子点的通用方法，尤其涉及一种采用水热碳化先驱体-硅凝胶制备碳量子点的方法，属于碳材料

技术介绍
碳点(CDs)作为一种新型的纳米材料，越来越多地被报道。它的基本特征是具有碳原子簇，内部碳核不被溶剂溶胀，结构稳定。由于细胞毒性低，功能团丰富，溶解度高，稳定性好，光致发光，因此能较好的应用在有机分子检测、温度传感器、光电、能源装置、光催化剂、缓蚀剂和生物成像领域。一般来说，碳点的合成可以分为自上而下和自下而上的策略。自上而下法是以已有碳材料为原料，通过剥离、氧化、分离等方法，制备粒径小于10纳米的荧光碳点，如US2018251678报道从煤中提取蓝光碳点，又如CN108373917以活性炭为原料制备碳点。自下而上法是通过小分子热解或有机分子水热、溶剂热条件下自组装来形成纳米尺度的碳化物。由于自下而上法的化学结构灵活设计，应用广泛，相关研究被广泛地报道，如CN108414483采用氨基酸为先驱体水热法制取碳点，CN108384538采用山梨醇为先驱体水热法制取碳点等等。已有4万多篇文献与专利报道碳点的合成与应用，2018年前9个月的碳点研究论文达到7700多篇，表明碳量子点具有广阔的应用前景，以自下而上法，即合成法为主。合成的原材料涵盖了几乎所有的食品、饮料、维生素、草药以及各种天然产物及其提取物。碳点的水热合成法，工艺简单、环保，是碳点的主要合成方法之一。但是，合成碳点所面临的主要问题依然是碳点在制备中的聚集问题，没有公开的解决方案。在碳点的水热合成中，为了减少聚集现象，通常会降低水热反应温度，缩短反应时间，或者引入氮、磷元素，提升碳点在水溶液中的溶解度。有人将碳分子筛的模板M41多孔硅微米级微球引入到碳点制备中，以孔隙作为纳米反应器，但微球表面依然为出现大粒径聚集物。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种制备碳量子点的方法及碳量子点，以克服现有技术中的不足。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用了如下技术方案：本专利技术实施例提供了一种制备碳量子点的方法，包括：通过先驱体-硅树脂共凝胶法，将碳量子点先驱体水溶液封闭在先驱体-硅凝胶的纳米孔隙中，之后使所述碳量子点先驱体水溶液进行水热碳化反应而形成碳量子点，获得包含碳量子点的碳化凝胶，其后对所述碳化凝胶进行后处理，提取出所述的碳量子点。本专利技术实施例还提供了一种碳量子点，其由前述方法制备而成。较之现有技术，本专利技术的有益效果在于：1)本专利技术实施例提供的制备碳量子点的方法，无大颗粒生成，产物全部为10纳米以内的碳量子点，能完全溶解于水、低级醇、低级酮或者其他极性溶剂中。2)本专利技术应用于制备不含杂原子的碳量子点时，无需采用低效率的高速离心和半透膜渗析，即可获得高质量碳点。3)碳量子点产量大，无需降低温度和缩短反应时间来减少聚集碳的生成，每公斤凝胶可产出300克含水量为80％、碳点含量20％的高品质湿碳点。4)水热碳化块状的先驱体-硅凝胶，避免了模板表面的聚集碳的生成，产物尺寸分布窄。硅凝胶骨架的材质可引入甲基硅酸结构，提升凝胶内孔隙中的先驱体水溶液与凝胶的界面张力，起到成核作用，诱导水热碳化在纳米孔隙中生成。高孔隙率、高比表、高先驱体含量的硅凝胶体系，明显提升了碳点的单位容积生产能力与收率。附图说明图1a是本专利技术一典型实施例中碳量子点的制备工艺示意图。图1b是本专利技术碳量子点制备过程中的形成机制示意图。图2a、2b、2c、2d是本专利技术实施例1中不含杂原子的碳点的13碳固态核磁共振谱。图3a、3b、3c、3d是本专利技术实施例1中不含杂原子的碳点的红外光谱。图4a、4b分别是本专利技术实施例1中不含杂原子的碳点的拉曼光谱与XRD图谱。图5a、5b、5c、5d分别是本专利技术实施例1、7、2、19四个样品的3D荧光扫描图谱。图6是本专利技术实施例1中凝胶透析，自然干燥后的BET孔径测试。图7是实施例1中碳量子点的透射电镜图谱。具体实施方式针对现有技术的诸多缺陷，本案专利技术人经长期研究和大量实践，得以提出本专利技术的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。但是，应当理解，在本专利技术范围内，本专利技术的上述各技术特征和在下文(实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以相互结合，从而构成新的或者优选的技术方方案。限于篇幅，在此不再一一累述。作为本专利技术技术方案的一个方面，其所涉及的系一种制备碳量子点的方法，包括：通过先驱体-硅树脂共凝胶法，将碳量子点先驱体水溶液封闭在先驱体-硅凝胶的纳米孔隙中，之后使所述碳量子点先驱体水溶液进行水热碳化反应而形成碳量子点，获得包含碳量子点的碳化凝胶，其后对所述碳化凝胶进行后处理，提取出所述的碳量子点。在一些实施方案中，所述的先驱体-硅树脂共凝胶法包括：将碳量子点先驱体水溶液与硅源溶液均匀混合，并加入酸性溶液，反应形成所述先驱体-硅凝胶，所述先驱体-硅凝胶的纳米孔隙中封闭有碳量子点先驱体水溶液。其中，得到的是宏观尺寸的块状先驱体-硅凝胶，采用宏观尺寸的块状先驱体-硅凝胶作为碳量子点制备的模板，将所有先驱体水溶液全部封闭在硅凝胶的纳米孔隙中，纳米孔隙中的先驱体水溶液经过水热碳化，转化为碳量子点而没有大尺寸聚集物生成。不同于现有文献已报道的模板法，即采用微米颗粒作为模板，模板的外表面会生成大颗粒碳化物。在一些较为优选的实施方案中，所述硅源包括甲基硅酸钠、硅酸钠、甲基偏硅酸钠、偏硅酸钠、磺酸树脂处理过的甲基硅酸钠、磺酸树脂处理过的硅酸钠、磺酸树脂处理过的甲基偏硅酸钠和磺酸树脂处理过的偏硅酸钠中的任意一种或两种以上的组合。在一些较为优选的实施方案中，所述酸性溶液包括盐酸、硫酸、磷酸和硝酸溶液中的任意一种或两种以上的组合。本专利技术中宏观尺寸的块状先驱体-硅凝胶的制备可参考现有技术中块状硅水凝胶、气凝胶的制备方法。在一些实施方案中，所述先驱体-硅凝胶的比表面积为100-1000平方米/克，孔隙的平均孔径为1-100纳米。进一步地，所述先驱体-硅凝胶的比表面积为200-600平方米/克，孔隙的平均孔径为2-20纳米。在一些实施方案中，所述碳量子点先驱体水溶液包括葡萄糖、蔗糖、麦芽糖、氨基酸、维生素、芳香胺、柠檬酸、甘露醇、啤酒、透明果汁、水溶性多肽和乳酸中的任意一种或两种以上的水溶液，或是现有中的水溶性水热碳化的碳源中的任意一种或两种以上的水溶液，但不限于此。碳量子点先驱体水溶液的来源非常广泛，现有的碳量子点先驱体水溶液皆适用于块状先驱体-硅凝胶的制备，且能够高收率地得到相应的碳量子点。在一些实施方案中，所述碳量子点先驱体水溶液还包含杂原子添加剂。进一步地，所述杂原子添加剂包括水溶性铵盐和/或磷酸盐。进一步地，所述碳量子点先驱体水溶液中包括尿素、磷酸、磷酸铵、磷酸钠、氯化铵、碳酸铵、和碳酸氢铵中的任意一种或两种以上的组合。在碳量子点中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制备碳量子点的方法，其特征在于包括：通过先驱体-硅树脂共凝胶法，将碳量子点先驱体水溶液封闭在先驱体-硅凝胶的纳米孔隙中，之后使所述碳量子点先驱体水溶液进行水热碳化反应而形成碳量子点，获得包含碳量子点的碳化凝胶，其后对所述碳化凝胶进行后处理，提取出所述的碳量子点。/n

【技术特征摘要】
20181206 CN 20181149061661.一种制备碳量子点的方法，其特征在于包括：通过先驱体-硅树脂共凝胶法，将碳量子点先驱体水溶液封闭在先驱体-硅凝胶的纳米孔隙中，之后使所述碳量子点先驱体水溶液进行水热碳化反应而形成碳量子点，获得包含碳量子点的碳化凝胶，其后对所述碳化凝胶进行后处理，提取出所述的碳量子点。


2.根据权利要求1所述的制备碳量子点的方法，其特征在于，所述的先驱体-硅树脂共凝胶法包括：将碳量子点先驱体水溶液与硅源溶液均匀混合，并加入酸性溶液，反应形成所述先驱体-硅凝胶，所述先驱体-硅凝胶的纳米孔隙中封闭有碳量子点先驱体水溶液。


3.根据权利要求2所述的制备碳量子点的方法，其特征在于：所述硅源包括甲基硅酸钠、硅酸钠、甲基偏硅酸钠、偏硅酸钠、磺酸树脂处理过的甲基硅酸钠、磺酸树脂处理过的硅酸钠、磺酸树脂处理过的甲基偏硅酸钠和磺酸树脂处理过的偏硅酸钠中的任意一种或两种以上的组合；和/或，所述酸性溶液包括盐酸、硫酸、磷酸和硝酸溶液中的任意一种或两种以上的组合。


4.根据权利要求1所述的制备碳量子点的方法，其特征在于：所述先驱体-硅凝胶的比表面积为100-1000平方米/克，孔隙的平均孔径为1-100纳米；优选的，所述先驱体-硅凝胶的比表面积为200-600平方米/克，孔隙的平均孔径为2-20纳米。


5.根据权利要求1所述的制备碳量子点的方法，其特征在于：所述碳量子点先驱体水溶液包括葡萄糖、蔗糖、麦芽糖、氨基酸、维生素、芳香胺、柠檬酸、甘露...

【专利技术属性】
技术研发人员：席先锋，何流，李垚垚，裴学良，黄庆，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，中国科学院大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33