一种氮掺杂碳点及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于碳材料技术领域，特别涉及一种氮掺杂碳点及其制备方法和应用。所述氮掺杂碳点的制备方法为，将碳源和氮源混合，进行水热反应，得到氮掺杂碳点；所述碳源包括有机羧酸化合物，所述氮源包括5～12元含N杂环化合物。该方法制得的碳点具有在全紫外波段的广谱吸收性能，吸收效率高，并且在400～800nm的可见光区透过率优异。光区透过率优异。

【技术实现步骤摘要】
一种氮掺杂碳点及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于碳材料
，特别涉及一种氮掺杂碳点及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]紫外线是太阳光中的一部分，包括UV
‑
C(200～280nm)、UV
‑
B(280～320nm)和UV
‑
A(320～400nm)。其中，UV
‑
C无法穿过臭氧层到达地球表面，UV
‑
B和UV
‑
A辐射的强度虽然比可见光和红外线辐射低得多，但其光子的能量超过了碳碳单键的能量，当紫外线辐射与空气中的氧气相结合，能够使高分子材料产生自由基，最终导致高分子材料降解。在没有保护的情况下，人类皮肤长期暴露在阳光下也会导致各种有害影响。其中，UV
‑
B作为地球上主要的活性波段，轻则导致红斑、皮肤灼伤、皮肤光老化和免疫抑制等慢性影响，重则对人类DNA造成直接的光化学损伤，引起基因突变，是皮肤癌发展的主要因素之一。UV
‑
A可以诱发皮肤晒黑，长期暴露可以造成皮肤损伤，使皮肤失去弹性，出现皱纹和诱发光毒性和光过敏反应。
[0003]随着近几十年来全球气候变化，臭氧层经历了长期的损耗，其成分不断发生变化，厚度变薄，紫外线辐射剂量也相应增加。结合近年来全世界公布的皮肤癌发病率的不断上升，大众对各类防晒产品的需求大大增长。如佩戴太阳镜、撑遮阳伞、穿着具有防晒功能的服装、使用带有防晒配方的化妆品等等。与此同时，随着工业机器以及医学设备的不断升级，可提供高紫外线屏蔽效率的固态透明材料需求变大，例如遮阳顶棚、防紫外线隐形眼镜、特殊保护型封装材料等。这些材料可以通过将合适的紫外线吸收材料并入透明聚合物基质中来制造。虽然有机紫外线吸收剂和无机紫外线吸收剂(如TiO2、ZnO等)都可用作紫外线屏蔽材料，但其透明度较低，无法完成全波段的紫外屏蔽，耐酸碱性、稳定性和耐候性不足以长期使用。因此，必须开发具有高稳定性、高透明度和全波段紫外屏蔽性能的新型紫外屏蔽材料。
[0004]碳点(CDs)作为近几十年来的新型材料引起了大量的研究关注。CDs在高光致发光(PL)方面具有优越性，易于制备，具有较低的毒性、水溶性好、多功能表面化学、良好的生物相容性等优势。由于CDs具有优异的紫外线吸收能力和化学惰性，被广泛认为是制备高透明紫外线屏蔽纳米复合材料的潜在候选材料。然而，市售碳点尚未达到全紫外波段全屏蔽，且屏蔽性能较差，耐老化、耐酸碱性能薄弱。
[0005]防紫外薄膜等户外防护材料日益成为应用需求最广大的部分，它要求该材料在长期紫外照射下保持高光性能稳定性，在酸雨现象日渐严重的环境里保持高耐酸碱腐蚀性，在特殊应用中拥有可见光高透过性等等。目前市售的有机紫外吸收剂和无机紫外吸收剂都具有较多缺点，如无法做到全紫外波段吸收、透明度较低、耐酸碱性、稳定性和耐候性不足以长期使用等，无法成为理想的紫外屏蔽剂，更无法与有机材料进行复合，从而制备可应用于户外的紫外屏蔽薄膜。由于气候变化及人们对防晒产品的需求增加，我们发现市售的遮阳伞均为非透明伞布，且大多一面为黑色，有失美观。

技术实现思路

[0006]本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术的第一方面是提出一种氮掺杂碳点的制备方法，该方法制得的碳点具有在全紫外波段的广谱吸收性能，吸收效率高，并且在400～800nm的可见光区透过率优异。
[0007]本专利技术的第二方面是提供该制备方法得到的氮掺杂碳点。
[0008]本专利技术还提供该氮掺杂碳点的应用。
[0009]具体地，本专利技术采用如下的技术方案：
[0010]本专利技术的第一方面是提出一种氮掺杂碳点的制备方法，包括如下步骤：将碳源和氮源混合，进行水热反应，得到氮掺杂碳点；所述碳源包括有机羧酸化合物，所述氮源包括5～12元含N杂环化合物。
[0011]氮，具有5个价电子，原子尺寸与碳相当，所以氮掺杂是最常用的改善CDs性能的方法。本专利技术的碳源含有羧基，一方面有利于碳核的形成，另一方面这些羧基结构可以与氮源中的氨基、
‑
N
‑
H结构发生反应，生成有利于在UV
‑
A和UV
‑
B区域产生屏蔽作用的O＝C
‑
N
‑
结构。同时，采用5～12元含N杂环化合物作为氮源，与此类氮源存在大量C
‑
N
‑
C结构，一方面有利于N元素嵌入碳核的碳网格结构中，另一方面，另一方面有利于提高碳点表面的官能团多样性，有利于其在紫外波段的吸收能力。因此，本专利技术通过采用特定结构的碳源和氮源来制备氮掺杂碳点，可以使得氮掺杂碳点具有优异的紫外吸收特性，具有在全紫外波段的广谱吸收性能，吸收效率高，并且在400～800nm的可见光区透过率优异。
[0012]在本专利技术的一些实例中，所述5～12元含N杂环化合物具有如下式1、式2中的任意一种或多种结构：
[0013][0014]其中，R
11
和R
13
分别独立选自H或C
1～6
烷基，R
12
选自＝O或＝S，R
14
和R
15
分别独立选自H、C
1～6
烷基、＝O或＝S；R
21
和R
22
分别独立选自H、
‑
NH2、
‑
NO2、
‑
CN、
‑
OH、
‑
SH、
‑
SO3H、C
1～6
羧基或
‑
CHO。
[0015]在本专利技术中，C
1～6
烷基指的是含有1～6个C原子的直链或者含直链的脂肪烷烃或者环烷烃，例如甲基、乙基、丙基、丁基，以及各种构型的戊基和己基，还有环丙基、环戊基、环
丁基中的任意一种。C
1～6
烷基优选C
1～3
烷基。
[0016]同理，C
1～6
羧基的是含有1～6个C原子的直链或者含直链的脂肪烷羧基或者环羧基，例如甲基、乙基、丙基、丁基，以及各种构型的戊基和己基，还有环丙基、环戊基、环丁基中的任意一种。C
1～6
烷基优选C
1～3
烷基。
[0017]在本专利技术的一些实例中，R
15
选自＝O或＝S。
[0018]在本专利技术的一些实例中，所述氮源包括甲酰乙内脲、3
‑
氨基喹啉和海因中的任意一种或多种。
[0019]在本专利技术的一些实例中，所述碳源包括二元羧酸化合物、三元羧酸化合物和四元羧酸化合物中的任意一种或多种。
[0020]在本专利技术的一些实例中，所述三元羧酸化合物包括苹果酸、对苯二甲酸中的任意一种或两种。
[0021]在本专利技术的一些实例中，所述三元羧酸化合物包括柠檬酸、苯均三酸中的任意一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂碳点的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：将碳源和氮源混合，进行水热反应，得到氮掺杂碳点；所述碳源包括有机羧酸化合物，所述氮源包括5～12元含N杂环化合物。2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于：所述5～12元含N杂环化合物具有如下式1、式2中的任意一种或多种结构：其中，R
11
和R
13
分别独立选自H或C
1～6
烷基，R
12
选自＝O或＝S，R
14
和R
15
分别独立选自H、C
1～6
烷基、＝O或＝S；R
21
和R
22
分别独立选自H、
‑
NH2、
‑
NO2、
‑
CN、
‑
OH、
‑
SH、...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘应亮，徐雨琳，徐智强，胡广齐，胡超凡，庄健乐，雷炳富，李唯，张学杰，张浩然，
申请(专利权)人：华南农业大学，
类型：发明
国别省市：