CN106892420A - 一种高荧光量子产率的固态发光碳点的快速制备方法 - Google Patents

一种高荧光量子产率的固态发光碳点的快速制备方法 Download PDF

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许佳聪
郑静霞
刘旭光
张峰
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Abstract

本发明涉及一种高荧光量子产率的固态发光碳点的快速制备方法，是针对固态发光碳点实现发光难的情况，采用柠檬酸，N‑β‑(氨乙基)‑γ‑氨丙基三甲氧基硅烷为原料，经微波辅助水热合成、过滤、真空冷冻干燥、研磨过筛，制得固态发光碳点，此制备方法工艺先进、数据精确翔实、制备的固态发光碳点为粉体、粉体颗粒直径≤7nm，量子产率达65.8％，纯度达99.8％，是先进的高荧光量子产率的固态发光碳点的快速制备方法，可在固态荧光发光器件中得到应用。

Description

一种高荧光量子产率的固态发光碳点的快速制备方法
技术领域
本发明涉及一种高荧光量子产率的固态发光碳点的快速制备方法，属光致发光材料制备及应用的技术领域。
背景技术
碳量子点具有优异的深紫外区域强吸收宽发射特性、光电转换能力、电子迁移率、溶液可加工性、荧光稳定性，具有抗光漂白性质；目前碳点的合成方法有两大类，一类是自上而下法，另一类是自下而上法，自下而上法主要包括水热法、热解法、微波辅助水热合成法和激光合成法；微波辅助水热合成法，可以实现同步、均匀、高效的加热，使反应速度加快，可获得尺寸均一的产物。
碳量子点具有优异的光学性质，是固态荧光材料，在照明和光显示领域得到应用；目前，发光的碳点溶液干燥为薄膜或固体时会产生聚集诱导猝灭效应，发光材料在聚集状态下，相邻的分子之间因距离小易发生共振能量转移。
由于固态发光碳点制备难度大，在光电器件中的应用受到了极大的限制，因此，快速合成高荧光量子产率的固态荧光碳点是非常重要的。
发明内容
发明目的
本发明的目的是针对背景技术的状况，以柠檬酸，N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷为原料，经微波辅助水热合成、过滤、真空冷冻干燥、研磨过筛，快速合成高荧光量子产率的固态发光碳点。
技术方案
本发明使用的化学物质材料为：柠檬酸、N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷、去离子水，其组合准备用量如下：以克、毫升为计量单位
柠檬酸：C6H8O7 1.05g±0.001g
N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷： C8H22N2O3Si
5.41mL±0.001mL
去离子水：H2O 10mL±0.001mL
制备方法如下：
(1)精选化学物质材料
对制备使用的化学物质材料要进行精选，并进行质量纯度控制：
柠檬酸：固态固体 99.9％
N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷：液态液体 99.9％
去离子水：液态液体 99.9％
(2)微波辅助水热合成制备碳点混合液
①配制混合液
在微波反应管中，加入柠檬酸1.05g±0.001g、N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷5.41mL±0.001mL、去离子水10mL±0.001mL，搅拌10min，成混合液；
②将装有混合液的微波反应管置于超声波分散仪中，进行超声分散，超声波频率20KHz，超声分散时间10min；
③将装有混合液的微波反应管置于微波反应器中，进行加热，加热温度180℃±1℃、加热时间10min；
混合液在反应管内，在微波辅助水热合成过程中将发生化学反应，反应方程式如下：
式中：Si-CDs：硅烷化碳点
④冷却，微波辅助水热合成结束后停止加热，混合液随微波反应管冷却至25℃；
(3)过滤
将冷却后的混合液置于过滤器的滴液漏斗中，用三层中速定性滤纸进行过滤，留存滤液，弃掉滤纸上的沉淀物；
(4)真空冷冻干燥
将滤液置于石英容器中，然后置于真空冷冻干燥箱中，密闭；真空度2Pa，冷冻干燥温度-80℃，冷冻干燥时间840min；
(5)研磨、过筛
将真空冷冻干燥得到的固体粉末用玛瑙研钵、研棒进行研磨，然后用650目筛网过筛，得到终产物固态发光碳点；
(6)检测、分析、表征
对制备的固态发光碳点的形貌、色泽、纯度、荧光量子产率、化学物理性能、发光性能进行检测、分析、表征；
用透射电子显微镜进行形貌分析；
用荧光光谱仪和紫外可见分光光度计进行荧光性能分析；
用X射线衍射仪进行结构分析；
结论：固态发光碳点为浅黄色粉体，粉体颗粒直径≤7nm；固态量子产率为65.8％，产物纯度达99.8％；
(7)产物储存
制备的固态发光碳点储存于棕色透明的玻璃容器中，要防晒、防潮、防酸碱盐类物质侵蚀，储存温度20℃，相对湿度≤10％。
有益效果
本发明与背景技术相比具有明显的先进性，是针对固态发光碳点实现发光难的情况，采用柠檬酸、N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷为原料，经微波辅助水热合成、过滤、真空冷冻干燥、研磨、过筛，制得固态发光碳点；此制备方法工艺先进，数据精确翔实，制备的固态发光碳点为粉体，粉体颗粒直径≤7nm，固态量子产率达65.8％，纯度达99.8％，是先进的高荧光量子产率的固态发光碳点的快速制备方法。
附图说明
图1、微波辅助水热合成制备碳点混合液状态图
图2、固态发光碳点形貌图
图3、固态发光碳点X射线衍射强度图谱
图4、固态发光碳点的荧光发射图谱
图5、固态发光碳点在自然光照射下的图谱
图6、固态发光碳点在紫外光照射下的图谱
图中所示，附图标记清单如下：
1、微波反应器，2、反应器底座，3、指示灯，4、显示屏，5、反应器盖，6、微波加热腔，7、微波反应管，8、密封盖，9、混合液，10、微波发生器，11、电源开关，12、微波加热温度控制器，13、微波加热时间控制器。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步说明：
图1所示，为微波辅助水热合成制备碳点混合液状态图，各部位置、连接关系要正确，按量配比，按序操作。
制备使用的化学物质的量值是按预先设置的范围确定的，以克、毫升为计量单位。
制备碳点混合液是在微波反应管内进行的，是在配制溶液、微波反应器加热、水热合成过程中完成的；
微波反应器1为立式，微波反应器1下部为反应器底座2、上部为反应器盖5、内部为微波加热腔6；在微波加热腔6内中间部位垂直设有微波反应管7，并由固定座14固定，微波反应管7外部为微波发生器10，微波反应管7内为混合液9，微波反应管7上部由密封盖8密封；在反应器底座2上设有显示屏4、指示灯3、电源开关11、微波加热温度控制器12、微波加热时间控制器13。
图2所示，为固态发光碳点形貌图，固态发光碳点为粉体，粉体颗粒为球形，分散性好，无团聚现象，粒径分布范围较窄，粒径≤7nm。
图3所示，为固态发光碳点X射线衍射强度图谱，图中所示，纵坐标为衍射强度、横坐标为衍射角2θ，固态发光碳点的衍射峰峰位在22°，表明制备的碳点中碳的石墨化程度较低，为无定形碳。
图4所示，为固态发光碳点荧光发射图谱，图中所示，纵坐标为荧光强度，横坐标为发射波长，在发射强度2.5×106下碳点的最大发射波长为443nm。
图5所示，为固态发光碳点在自然光照射下的图谱，从图中看出，碳点粉末在自然光照射下呈淡黄色。
图6所示，为固态发光碳点在紫外光照射下的图谱，从图中看出，碳点粉末在紫外光灯λex＝365nm照射下发出蓝色荧光。

Claims (4)

1.一种高荧光量子产率的固态发光碳点的快速制备方法，其特征在于：使用的化学物质材料为：柠檬酸、N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷、去离子水，其组合准备用量如下：以克、毫升为计量单位
柠檬酸：C6H8O7 1.05g±0.001g
N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷：C8H22N2O3Si 5.41mL±0.001mL
去离子水：H2O 10mL±0.001mL
制备方法如下：
(1)精选化学物质材料
对制备使用的化学物质材料要进行精选，并进行质量纯度控制：
柠檬酸：固态固体 99.9％
N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷：液态液体 99.9％
去离子水：液态液体 99.9％
(2)微波辅助水热合成制备碳点混合液
①配制混合液
在微波反应管中，加入柠檬酸1.05g±0.001g、N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷5.41mL±0.001mL、去离子水10mL±0.001mL，搅拌10min，成混合液；
②将装有混合液的微波反应管置于超声波分散仪中，进行超声分散，超声波频率20KHz，超声分散时间10min；
③将装有混合液的微波反应管置于微波反应器中，进行加热，加热温度180℃±1℃、加热时间10min；
混合液在反应管内，在微波辅助水热合成过程中将发生化学反应，反应方程式如下：
式中：Si-CDs：硅烷化碳点
④冷却，微波辅助水热合成结束后停止加热，混合液随微波反应管冷却至25℃；
(3)过滤
将冷却后的混合液置于过滤器的滴液漏斗中，用三层中速定性滤纸进行过滤，留存滤液，弃掉滤纸上的沉淀物；
(4)真空冷冻干燥
将滤液置于石英容器中，然后置于真空冷冻干燥箱中，密闭；真空度2Pa，冷冻干燥温度-80℃，冷冻干燥时间840min；
(5)研磨、过筛
将真空冷冻干燥得到的固体粉末用玛瑙研钵、研棒进行研磨，然后用650目筛网过筛，得到终产物固态发光碳点；
(6)检测、分析、表征
对制备的固态发光碳点的形貌、色泽、纯度、荧光量子产率、化学物理性能、发光性能进行检测、分析、表征；
用透射电子显微镜进行形貌分析；
用荧光光谱仪和紫外可见分光光度计进行荧光性能分析；
用X射线衍射仪进行结构分析；
结论：固态发光碳点为浅黄色粉体，粉体颗粒直径≤7nm；固态量子产率为65.8％，产物纯度达99.8％；
(7)产物储存
制备的固态发光碳点储存于棕色透明的玻璃容器中，要防晒、防潮、防酸碱盐类物质侵蚀，储存温度20℃，相对湿度≤10％。
2.根据权利要求1所述的一种高荧光量子产率的固态发光碳点的快速制备方法，其特征在于：制备碳点混合液是在微波反应管内进行的，是在配制溶液、微波反应器加热、水热合成过程中完成的；
微波反应器1为立式，微波反应器1下部为反应器底座2、上部为反应器盖5、内部为微波加热腔6；在微波加热腔6内中间部位垂直设有微波反应管7，并由固定座14固定，微波反应管7外部为微波发生器10，微波反应管7内为混合液9，微波反应管7上部由密封盖8密封；在反应器底座2上设有显示屏4、指示灯3、电源开关11、微波加热温度控制器12、微波加热时间控制器13。
3.根据权利要求1所述的一种高荧光量子产率的固态发光碳点的快速制备方法，其特征在于：固态发光碳点的衍射峰峰位在22°。
4.根据权利要求1所述的一种高荧光量子产率的固态发光碳点的快速制备方法，其特征在于：在发射强度2.5×106下，碳点的最大发射波长为443nm。
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