多色碳點(diǎn)的制備、性能與應(yīng)用研究

多色碳點(diǎn)的制備、性能與應(yīng)用研究碳點(diǎn),近乎準(zhǔn)球型的零維新興碳基納米功能材料,在利用電弧放電純化單壁碳納米管的過(guò)程中,于2004年首次被發(fā)現(xiàn)。由于其異質(zhì)原子可摻雜、表面官能團(tuán)可修飾、寬的紫外光吸收波段、低毒、生物相容性、粒子表面效應(yīng)、隧道效應(yīng)等優(yōu)異的光學(xué)特性,使得其在金屬粒子檢測(cè)、太陽(yáng)能器件、生物標(biāo)記、細(xì)胞成像、光電器件等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展,上述諸多領(lǐng)域已取得重多突破和創(chuàng)新。但多數(shù)碳點(diǎn)局限在短波長(zhǎng)范圍,量子效率低。本論文立足于改善合成、提純工藝,提高碳點(diǎn)的產(chǎn)率和量子效率,制備多色碳點(diǎn)。通過(guò)不同異質(zhì)原子的參雜,熱溶劑的調(diào)控以及合成條件的優(yōu)化,制備出了紅、黃、綠、藍(lán)幾種不同波長(zhǎng)的碳點(diǎn),最終實(shí)現(xiàn)了其在防偽標(biāo)識(shí)、Fe³⁺檢測(cè)和光致發(fā)光器件上的應(yīng)用。具體內(nèi)容如下:（1）蘋果酸為碳源合成藍(lán)光碳點(diǎn)及其防偽標(biāo)識(shí)的應(yīng)用研究:以蘋果酸為碳源,通過(guò)微波消解法,制備了量子效率為25%的藍(lán)色熒光碳點(diǎn)。通過(guò)丙酮的注入,前驅(qū)液極性改變,達(dá)到目標(biāo)產(chǎn)物大量沉降的目的,碳點(diǎn)的產(chǎn)率高達(dá)65%。XPS和FTIR表征結(jié)果表明,合成的碳點(diǎn)表面包覆大量含氧官能團(tuán),決定了制備的碳點(diǎn)具有良好的水溶性和醇溶性。同時(shí)定性的分析了脫水縮合的碳化過(guò)程,也從理論上解釋了反應(yīng)機(jī)理。激發(fā)發(fā)射光譜表明,在激發(fā)光譜上有兩個(gè)強(qiáng)度相當(dāng)?shù)哪芰總鬟f波峰,對(duì)應(yīng)于發(fā)射的藍(lán)光和黃光,這一特殊的激發(fā)依賴特性,可以實(shí)現(xiàn)其在防偽標(biāo)識(shí)上的應(yīng)用。（2）對(duì)苯二胺為碳源合成PH敏感型綠色熒光碳點(diǎn)及其Fe³⁺檢測(cè)的應(yīng)用研究:以對(duì)苯二胺為碳源,磷酸為熱溶劑,通過(guò)水熱法一鍋合成具有PH值敏感的綠色碳點(diǎn)。當(dāng)激發(fā)波長(zhǎng)從370nm增加到450nm,發(fā)射波長(zhǎng)固定在510nm,表現(xiàn)出良好的激發(fā)獨(dú)立性。通過(guò)NaOH與磷酸溶液混合調(diào)控PH值大小,當(dāng)PH值減小熒光強(qiáng)度增加,PH值增加熒光強(qiáng)度減小直到猝滅。該碳點(diǎn)的這種熒光淬滅/恢復(fù)現(xiàn)象具有可逆性、可重復(fù)性,這為熒光探針的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。同時(shí)該碳點(diǎn)對(duì)Fe³⁺表現(xiàn)出獨(dú)特的檢測(cè)性能,通過(guò)熒光強(qiáng)度的響應(yīng)規(guī)律,計(jì)算得到了檢測(cè)Fe³⁺的極限濃度,最終實(shí)現(xiàn)了該碳點(diǎn)對(duì)三價(jià)鐵離子檢測(cè)的目的。（3）中性紅為碳源通過(guò)調(diào)控溶劑合成紅、黃、藍(lán)碳點(diǎn)及其光致發(fā)光器件的應(yīng)用研究:以中心紅為碳源,通過(guò)水熱法,調(diào)控?zé)崛軇┉h(huán)境以及反應(yīng)溫度,得到量子效率分別為34%、53%、70%的紅色、黃色、藍(lán)色碳點(diǎn)。結(jié)構(gòu)表征和光學(xué)特性分析表明:不同的發(fā)射波長(zhǎng)是由于各自表面態(tài)具有不同量的C=N和C=O造成的。從藍(lán)色、黃色到紅碳點(diǎn),隨著表面態(tài)包覆的C=N與C=O含量的增加,這兩種化學(xué)官能團(tuán)產(chǎn)生n-π*躍遷的共軛吸收帶將會(huì)累積,共軛吸收帶將會(huì)紅移,吸收光譜與激發(fā)光譜的交疊紅移,最終造成不同的熒光發(fā)射;有效能量傳遞的不同、表面態(tài)環(huán)氧官能團(tuán)含量的不同,以及由發(fā)射峰與吸收峰交疊引起的自吸收不同,是三種碳點(diǎn)具有不同量子產(chǎn)率的根本原因;黃色碳點(diǎn)與紅色碳點(diǎn)激發(fā)獨(dú)立,這是由于他們表面被充分鈍化,有著均一固定的發(fā)射態(tài)。藍(lán)色碳點(diǎn)激發(fā)依賴,這是由于他們表面被部分鈍化,存在著眾多不同的n-π*躍遷能級(jí)。通過(guò)聚乙烯吡咯烷酮分散基質(zhì)的摻雜,固態(tài)碳納米熒光粉克服了自組織猝滅,表現(xiàn)出與液體碳點(diǎn)幾乎相同的量子產(chǎn)率,上述結(jié)果表明這些碳點(diǎn)不僅具有熒光穩(wěn)定性,還有可觀的材料兼容性和良好的分散性,為光致發(fā)光器件的實(shí)現(xiàn)提供了條件。最終將復(fù)合的固態(tài)